Введение к работе
Актуальность темы. Современная полупроводниковая электроника использует широкий класс материалов, среди которых кристаллы CdxHg1_xTe (КРТ) занимают важное место. Уникальное свойство КРТ менять ширину запрещенной зоны Сот 0 до 1,6 эВ) в зависимости от состава х (х=0,16 + 1) позволяет создавать на основе этих материалов широкий класс эффективных приборов, таких как источники и приемники инфракрасного излучения, солнечные элементы, сверхбыстродействующие приборы микроэлектроники. Современная технология изготовления матричных фотоприемных устройств, а также тенденция к уменьшению размеров активных областей в микроэлектронных приборах предъявляют жесткие требования к электрической однородности используемых кристаллов. Структурные дефекты, такие как дислокации, преципитаты, малоугловые и двойниковые границы, без которых невозможно в современной технологии КРТ получить и обработать материал, могут существенно изменить пространственное распределение носителей заряда, изменив их плотность, подвижность и время жизни. В этой связи исследование электрической активности отдельных структурных дефектов становится особенно актуальным. Методы растровой электронной микроскопии (.РЭМ) позволяют проводить такие исследования с высоким пространственным разрешением. Наиболее пригодным для исследования кристаллов КРТ без разрушения является метод наведенного электронным пучком тока (НТ), который обладает высокой квантовой эффективностью детектирования сигнала и позволяет проводить исследования при более низких значениях тока электронного пучка, чем в таких методах, как катодолюминесценция (KJD или-
рентгеноспектральний микроанализ (.РСМД). Однако применение НТ для исследования электрической активности ростовых дефектов в КРТ требует создания структур, эффективных для разделения инжектированных электронным пучком носителей, и разработки методики исследования электрически активных дефектов в широком интервале изменения температуры. К началу данной работы в литературе имелись весьма ограниченные сведения об электрической активности структурных дефектов в КРТ и возможности исследования этих дефектов методами РЭМ. Не были известны методы формирования барьерных структур, эффективных для исследования электрической активности отдельных ростовых дефектов, а также способы выявления электрически активных дефектов в КРТ без какой-либо модификации послеростовой поверхности. Имелись ограниченные сведения о рекомбинационной активности и зарядовом состоянии структурных дефектов, а также о природе их электрической активности. Не были проведены исследования отдельных электрически активных протяженных дефектов в этих кристаллах при разных условиях инжекции носителей заряда. Не было исследовано влияние бомбардировки кристаллов КРТ низкоэнергетичными электронами и ионами на их электрические свойства, а также влияние такого воздействия на электрическую активность отдельных структурных дефектов.
Цель работы состояла в создании на базе РЭМ методики выявления и характеризации электрически активных дефектов в КРТ и в применении ее к исследованию электрической активности дефектов.
Задачами исследования являлись:
- Разработка методики, позволяющей на базе РЭМ, выявлять и
исследовать в широком температурном диапазоне электрически
активные дефекты в кристаллах КРТ разного состава.
- Разработка способа изготовления поверхностно-оарьерних структур,
пригодных для анализа отдельных послеростовых дефектов в KJ-T
методом НТ, а также способа выявления и анализа электрически активных ростовых дефектов без какой-либо модификации поверхности в области исследуемых дефектов.
Исследование электрической активности отдельных протяженных дефектов в КРТ и природы их электрической активности, используя методы РЭМ и селективное химическое травление.
Исследование влияния плазменного травления и электронного облучения на электрические свойства локальных областей и отдельных структурных дефектов в КРТ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- Обнаружена неоднородность электрической активности МУГ в
исследованных кристаллах. Показано, что повышенную
рекомбинационную активность границ вызывают преципитаты теллура.
Показано, что термообработка КРТ в парах ртути может приводить к
повышенной эффективности собирания инжектированных носителей в
областях МУГ без заметной рекомбинации носителей на этих дефектах.
Вблизи структурных дефектов в исследованных кристаллах обнаружено
неоднородное распределение центров с разными энергетическими
уровнями. Показано, что концентрация дефектов с уровнем E1=Ev+0,2
эВ и Е2= Ev+0,41 эВ'вблизи дислокаций в исследуемых кристаллах
CdTe более высокая, чем в объеме. Загрязнение кристалла медью
приводит к увеличению рекомбинационной активности протяженных
дефектов.
- Обнаружена немонотонная зависимость рекомбинационной активности
структурных дефектов от температуры кристалла и тока пучка.
Показано, что вблизи таких структурных дефектов, как границы
зерен, МУГ, двойники, теллуровые включения существует
потенциальный барьер, который сохраняется в условиях инжекции
носителей электронным пучком при токе пучка I < 10 А. Одинаковое
поведение контраста НТ и УНТ от температуры указывает на
определяющую роль потенциального барьера в формировании контраста НТ на структурных дефектах в этих кристаллах.
Обнаружена инверсия типа проводимости в кристаллах КРТ Сх=0,2+1) р-типа после плазменного травления в Аг , свидетельствующая об ускоренной диффузии точечных дефектов в процессе травления. Показано, что плазменное травление вводит повышенную концентрацию точечных дефектов вблизи протяженных, что свидетельствует о влиянии структурных дефектов на пространственное распределение точечных дефектов, наведенных травлением.
Обнаружены необратимые изменения электрических свойств локальных областей и отдельных структурных дефектов в КРТ после их облучения низкоэнергетичным электронным пучком. Показано, что локальное облучение кристаллов КРТ р-типа электронами с энергией Е=25 кэВ и
20 — 2 —1
потоком Ф>10 см с приводит к последовательному формированию потенциальных барьеров, связанных с ускоренной диффузией акцепторных и донорных дефектов. В начальный момент времени происходит введение повышенной концентрации мелких акцепторов, а
увеличение дозы облучения (D>10 см ) приводит к проявлению донорных дефектов. Обнаружено влияние протяженных дефектов на введение и распределение точечных дефектов в процессе электронного облучения. Показано, что электрические свойства кристалла вблизи МУГ изменяются при более низкой плотности потока пучка, чем в бездефектной области. Локальное облучение структурных дефектов в
кристалах КРТ р-типа проводимости потоком электронов Ф=40 см'^с-1 и D="1019-^102 см" приводит к уменьшению рекомбинационного НТ контраста на этих дефектах из-за уменьшения вблизи них потенциального барьера. При потоке электронов Ф>о*10 см с происходит образование рекомбинационно активных структурных дефектов и дефектных областей, обогащенных теллуром и содержащих повышенную плотность дислокаций.
Практическая ценность полученных результатов:
разработана методика, позволяющая на базе РЭМ выявлять и исследовать электрически активные дефекты в кристаллах КРТ (х=0,2 * D в диапазоне температур Т=80 К + 300 К;
предложен неразрушающий способ идентификации электрически активных дефектов с высоким пространственным разрешением (< 1 мкм) на основе сравнения получаемых на дефектах зависимостей НТ и УНТ контраста от условий возбуждения кристалла (. Т, 1ь) электронным пучком с известными зависимостями на структурных дефектах, идентифицированных классическими методами анализа;
обнаружена повышенная эффективность собирания инжектированных носителей на МУГ в КРТ, прошедших термический отжиг в парах ртути;
предложены способы формирования р-n переходов и барьерных структур в приповерхностном слое КРТ на основе травления кристаллов в плазме аргона или облучения низкоэнергетичным электронным пучком;
показано, что рекомбйнационную активность структурных дефектов, таких как МУГ, можно уменьшить локальным облучением электронным пучком.
На защиту выносятся :
разработанная методика выявления и идентификации на базе РЭМ отдельных электрически активных структурных дефектов в КРТ;
способы формирования в приповерхностном слое КРТ барьерных структур на основе травления кристаллов в аргоне или облучения их низкоэнергетичным электронным пучком;
экспериментально обнаруженная неоднородность электрической активности МУГ в кристаллах КРТ;
экспериментально обнаруженная рекомбинационная активность теллуровых включений в кристаллах КРТ;
обнаруженная немонотонная , зависимость рекомбинационной активности структурных дефектов от условий возбуждения кристалла электронным пучком;
- существование вблизи границ зерен, МУГ, двойников, теллуровых
включений в кристаллах КРТ потенциального барьера, который
сохраняется в условиях инжекции носителей электронным пучком при
токах пучка 1<10~ А;
экспериментально обнаруженное неоднородное распределение центров с разными энергетическими уровнями вблизи структурных дефектов в исследуемых кристаллах;
- влияние протяженных дефектов на введение и распределение
точечных в процессе ионного травления и низкоэнергетичного
электронного облучения кристаллов КРТ;
- обнаруженное изменение рекомбинационной активности структурных
дефектов после их локального облучения электронным пучком.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных симпозиумах по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Звенигород, 1986, 1989, 1991, Черноголовка, 1993), на XIV Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Суздаль, 1990), на 29ой Международной весенней школе по электронной микроскопии (Халле, 1990), на Всесоюзном симпозиуме по полупроводникам с узкой запрещенной зоной и полуметаллам (Львов, 1986), на Всесоюзном семинаре по проблеме "Физика и химия полупроводников" (Павлодар, 1987), на IV Всесоюзном совещании "Дефекты структуры в полупроводниках" (Новосибирск, 1984), на Республиканской конференции "Физика и химия поверхности и границ раздела узкощелевых полупроводников" (Львов, 1990), на 2ой Международной конференции по характеризации дефектов в полупроводниках пучковой инжекцией (Мейдон, 1991), на
Международных конференциях по микроскопии полупроводниковых материалов (.Оксфорд, 1991, 1993), на IV Международной конференции по выявлению дефектов и обработке изображения в полупроводниках и приборах (Манчестер, 1991).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 177 страниц, включая 153 страницы основного текста, 73 рисунка, 4 таблицы и список цитируемой литературы из 223 наименовании.
