Коханенко Андрей Павлович. Радиационная модификация свойств узкозонных полупроводников КРТ и структур на его основе для фотоприемников ИК диапазона

Краткое описание

Коханенко, Андрей Павлович. Радиационная модификация свойств узкозонных полупроводников КРТ и структур на его основе для фотоприемников ИК диапазона : диссертация ... доктора физико-математических наук : 01.04.10.- Томск, 1999.- 488 с.: ил. РГБ ОД, 71 01-1/111-4

Министерство образования Российской Федерации Сибирский физико-технический институт при Томском государственном университете

Л t;
P f> ■-■
На правах рукописи

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Томск - 1999 г.
# & XMf
г n4 v
Ч.
РАДИАЦИОННАЯ МОДИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ УЗКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ КРТ И СТРУКТУР НА ЕГО ОСНОВЕ ДЛЯ ФОТОПРИЕМНИКОВ ИК ДИАПАЗОНА 
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННАЯ АННИГИЛЯЦИЯ В УЗКОЗОННЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ КРТ 30
1.1 Исследование структуры дефектов в полупроводниках методами позитронной спектроскопии 31
1.2 Расчет времени термализации позитронов в КРТ 36
1.3 Оценка параметров электрон-позитронной спектроскопии в КРТ 39
1.4 Методика определения параметров электрон-позитронной аннигиляции 44
1.5 Электрон-позитронная спектроскопия в исходных кристаллах КРТ 53
Заключение по главе 1 61
2 ОБЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ (ЭЛЕКТРОНЫ, ГАММА-КВАНТЫ, НЕЙТРОНЫ) УЗКОЗОННЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ КРТ 63
2.1 Влияние дефектов кристаллической структуры на свойства
узкозонных твердых растворов КРТ 65
2.1.1 Структура исходных дефектов в КРТ 65
2.1.2 Влияние облучения высокоэнергетическими частицами на свойства кристаллов Hgi_xCdxTe 69
2.2 Параметры взаимодействия высокоэнергетических частиц с КРТ 74
2.2.1 Взаимодействие высокоэнергетических электронов с КРТ 74
2.2.2 Особенности дефектообразования в кристаллах КРТ при облучении нейтронами и гамма-квантами 80
2.2.3 Расчет изменений параметров кристаллов КРТ при облучении высокоэнергетическими электронами 86
2.3 Облучение высокоэнергетическими электронами с энергией 2-3 МэВ кристаллов КРТ при 300 К 95
2.3.1 Изменение электрических и рекомбинационных свойств кристаллов
КРТ при облучении электронами 95
2.3.2 Влияние электронного облучения на подвижность носителей заряда в кристаллах KPT n-типа проводимости 106
2.4 Исследование процессов отжига радиационных дефектов в
кристаллах КРТ при облучении электронами 115
2.4.1 Термическая стабильность радиационных дефектов в КРТ 115
2.4.2 Влияние исходной дефектности кристаллов Hg]_xCdxTe на
процессы отжига радиационных дефектов при различных температурных обработках 125
2.4.3 Исследование кинетики отжига радиационных дефектов в КРТ 137
2.4.4 Анализ радиационного дефектообразования при отжиге кристаллов
КРТ после электронного облучения 148
2.5 Аннигиляция позитронов в облученных электронами кристаллах
КРТ 150
2.6 Радиационное дефектообразование при облучении КРТ гамма- квантами 159
2.7 Образование радиационных дефектов при нейтронном облучении кристаллов КРТ 172
Заключение по главе 2 180
3 ОБЛУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ КРТ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ИОНАМ 183
3.1 Радиационное дефектообразование в кристаллах Hg]_xCdxTe при облучении ионами 185
3.2 Расчет профилей пространственного распределения примесей и дефектов в кристаллах КРТ при облучении ионами 189
3.2.1 Пробеги высокоэнергетических ионов в узкозонных твердых растворах КРТ 189
3.2.2 Дефектообразование и диффузия радиационных дефектов в КРТ
при ионной имплантации 191
3.2.3 Пространственное распределение примесей и дефектов в КРТ при воздействии мощных импульсных пучков ионов 206
3.3 Имплантация высокоэнергетических ионов водорода в Hgi_xCdxTe... 210
3.4 Воздействие на кристаллы КРТ альфа-частицами 224
3.5 Облучение кристаллов КРТ ионами аргона 226
3.6 Импульсное внедрение ионов меди и вольфрама 233
3.7 Облучение мощными импульсными пучками А1+ 247
Заключение по главе 3 256
4 ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР НА КРТ, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ
МЛЭ 258
4.1 Фотоэлектрические свойства эпитаксиальных структур на основе
КРТ, выращенных методом МЛЭ 260
4.2 Исследование механизмов рекомбинации носителей заряда в эпитаксиальных пленках КРТ, выращенных методом МЛЭ 265
4.2.1 Время жизни носителей заряда в образцах n-типа проводимости
КРТ 268
4.2.2 Время жизни носителей заряда в образцах р-типа проводимости
КРТ 277
4.2.3 Измерения времени жизни носителей заряда при засветке со
стороны подложки 281
4.3 Исследование спектральных характеристик фотопроводимости эпитаксиального материала КРТ, выращенного методом МЛЭ 287
4.4 Радиационная модификация фотоэлектрических и рекомбинационных параметров эпитаксиальных пленок КРТ 299
Заключение по главе 4 308
5 СПОСОБЫ РАДИАЦИОННОЙ МОДИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ КРТ ПРИ СОЗДАНИИ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИЕМНИКОВ ИК ДИАПАЗОНА 311
5.1 Методики измерения 312
5.2 Получение фоторезисторного материала КРТ методами радиационного легирования 322
5.2.1 Облучение электронами с последующем термоциклированием 323
5.2.2 Способ получения фоторезисторов с применением радиационной
к
обработки 324
5.2.3 Радиационно-стимулированная диффузия серебра в КРТ под
действием быстрых электронов 330
5.3 Радиационные способы получения неоднородных фоточувствительных структур на основе КРТ 336
5.3.1 Получение р-n перехода с помощью облучения электронами 336
5.3.2 Получение фотодиодных структур имплантацией ионов аргона 337
5.4 Радиационное легирование КРТ мощными пучками электронов 340
5.5 Высокочувствительные фотоприемники на основе эпитаксиальных пленок КРТ 350
Заключение по главе 5 362
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 368
СПИСОК ЦИТИРУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 373
Приложение 1. Расчет фотоэлектрических параметров варизонных
эпитаксиальных пленок КРТ, выращенных методом МЛЭ 411
П. 1.1 Распределение неравновесных носителей заряда в варизонных
структурах КРТ 412
П. 1.2 Эффективное время жизни ННЗ в варизонных структурах КРТ 420
П. 1.3 Особенности спектральных характеристик эпитаксиальных
структур КРТ 449
Заключение по приложению 1 456
Приложение 2. Расчет параметров ИК фотоприемников на основе КРТ.... 458
П.2.1 Основные параметры фоторезисторных фотоприемников на КРТ.... 458
П.2.1.1 Спектральная характеристика фотопроводимости 460
П.2.1.2 Вольт-ваттная чувствительность 460
П.2.1.3 Основные механизмы шумов 466
П.2.1.4 Обнаружительная способность 471
П.2.2 Параметры фотодиодного приемника на основе КРТ 476
Заключение по приложению 2 481
Приложение 3 482

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Теоретически и экспериментально обоснована применимость методов позитронной аннигиляции для диагностики исходных и радиационных дефектов вакансионного типа в узкозонных твердых растворах КРТ. На основе модели захвата позитронов показано, что методы позитроной аннигиляции позволяют обнаруживать вакансионные дефекты в КРТ с концентрацией более 1014 см"3. При концентрации
17 3
вакансий 10 см" и выше параметры аннигиляции полностью определяются дефектами.
2. Обнаружено наличие зависимости основных параметров кривых У РАФ от процентного состава компонент твердого раствора КРТ. Установлено, что гауссовая составляющая кривых УРАФ обусловлена аннигиляцией позитронов с электронами ионного остова, а параболическая составляющая - аннигиляцией с валентными электронами. Разработана программа для определения параметров разложения кривых УРАФ, несущих информацию о дефектной структуре исследуемого материала.
3. Экспериментально определены значения скорости объемной аннигиляции в КРТ (х=0.2-0.3) Хо=3.55 не"1; скорости аннигиляции позитронов, захваченных двухзарядными вакансиями ртути (Унё) Ad -3.13 не"1 и удельной скорости захвата позитронов на Уц2 v=5 10"7 см"3 с"1. Полученные значения хорошо согласуются со значениями, рассчитанными в приближениях модели свободного электронного газа с энергетической щелью и модели захвата позитронов.
4. Определены закономерности изменения концентрации носителей заряда в кристаллах КРТ при электронном облучении для 300 К. Установлены значения скорости введения носителей заряда в кристаллы р-типа (1.2-0.8)ТО"1 см"1 и п-типа (1.5-2.0) 10"2 см"1 проводимости. Установлены зависимости подвижности носителей заряда от величины дозы облучения электронами в кристаллах КРТ п-типа проводимости, определяющиеся исходной степенью компенсации материала и повышенной скоростью введения радиационных центров рассеяния. Обнаружено наличие в облученных образцах позитрониевых состояний, локализованных в области радиационных нарушений вакансионного типа с линейными размерами 7-9 А. Показана корреляция стадий отжига позитронечувствительных и электрически активных радиационных дефектов.
5. Установлено, что отжиг электрически активных радиационных дефектов в кристаллах КРТ, облученных электронами, происходит в диапазоне 100-150 °С. Кинетика отжига характеризуется энергией активации равной (1.5 ± 0.2) эВ. Показано, что порядок реакции процесса отжига зависит от интегральной дозы
17 2
облучения электронами. Для доз облучения (0.5-1.0) 10 см" имеет место второй
1 $ -2
порядок реакции, а для больших доз облучения (10 см" ) процесс отжига определяется реакцией первого порядка, что связывается с размерами и концентрацией стоков, образующихся в процессе облучения.
7. Изучены закономерности дефектообразования при воздействии на кристаллы КРТ гамма-нейтронной радиации при различных температурах облучения материала и энергиях дефектообразующих частиц. Обнаружено, что радиационное дефектообразование при облучении гамма-квантами при 300 К (для доз облучения 106 - 109 Р) определяется, во многом, исходной дефектностью полупроводника, а при низкотемпературном облучении (77 К) скорость изменения концентрации носителей заряда (ёп/ёФ = 5 см"1) обусловлена преимущественным введением дефектов до норного типа, отжигающихся при комнатной температуре.
8. Установлено наличие радиационно-стимулированной диффузии примесей в кристаллах КРТ при облучении высокоэнергетическими электронами с энергией (2¬3) МэВ при комнатной температуре. Оценены коэффициенты ускоренной диффузии примесей в проведенных экспериментах, которые показали, что облучение кристаллов КРТ позволяет снизить температуру диффузии на 200-300 градусов по сравнению с термодиффузией.
9. Предложена модель образования радиационных дефектов в КРТ при воздействии ионизирующего облучения, предполагающая образование ассоциаций вакансий Hg и комплексов с участием междоузельных атомов ртути, определяющих донорный тип проводимости облученных кристаллов.
10. Установлено, что радиационные дефекты донорного типа, определяющие электрические параметры материала после облучения электронами и ионами имеют одну физическую природу, независимо от типа и энергии воздействующих частиц. Эти дефекты отжигаются в температурном интервале 80-150 °С. Энергия активации процесса отжига доноров, вводимых при облучении составляет (1.5 0.2) эВ, а порядок реакции определяется размерами и концентрацией стоков.
11. Наблюдается ряд общих закономерностей формирования профилей электрически активных дефектов в Hgj.xCdxTe для случаев ионной имплантации в
стандартных режимах (j 12. Показано, что воздействие сильноточных импульсных пучков не приводит к нарушению стехиометрического состава поверхностных слоев Hgj_xCdxTe при
дозах облучения менее 1017 см-2. Степень дефектности материала, определенная с
помощью анализа спектров POP), после облучения дозами 10^-^10^ См"2 равна 30 %, что соответствует уровню насыщения дефектности материала при традиционных
(j 13. Впервые, при помощи метода медленных позитронов, определены профили пространственного распределения вакансионных дефектов, образующихся при ионной имплантации. Установлено, что распределение дефектов вакансионного типа не совпадает с распределением электрически активных радиационных дефектов. Анализ пространственного распределения радиационных дефектов показывает, что радиационные доноры в КРТ являются дефектами междоузельного типа, вероятнее всего, комплексами на основе междоузельных атомов ртути.
14. Предложена модель радиационного дефектообразования в узкозонных твердых растворах КРТ при воздействии высокоэнергетических ионов, включающая диффузию и комплексообразование первичных радиационных дефектов междоузельного и вакансионного типов. На основе проведенных численных расчетов получены профили распределения радиационных дефектов, которые хорошо согласуются с экспериментальными результатами.
15. Определены основные механизмы рекомбинации носителей заряда в эпитаксиальных пленках КРТ, выращенных методом МЛЭ. Установлено, что в материале п-типа проводимости с х 0.20-0.23 в области температур, соответствующих примесной проводимости, время жизни носителей заряда определяется совместным действием Оже-рекомбинации и рекомбинации на локальных центрах и поверхности. Для лучших образцов п-типа проводимости получены значения времени жизни 1-2 мкс при Т=80 К. В материале р-типа проводимости в зависимости от дефектности образцов время жизни носителей заряда определяется либо межзонной Оже-рекомбинацией, либо рекомбинацией Шокли-Рида с энергией активации рекомбинационного уровня 0.15-0.22 мэВ.
16. Показано, что для полученных эпитаксиальных структур поверхностный широкозонный слой существенно снижает влияние поверхностной рекомбинации на время жизни носителей заряда. Исследования буферного слоя на границе раздела пленка-подложка показало, что она содержит дефекты типа центров захвата, проявляющихся в виде медленных составляющих на кривых релаксации фотопроводимости. Отмечена резкая зависимость амплитуды медленных составляющих от температуры.
17. На основе проведенных физических исследований разработаны способы радиационной модификации узкозонного твердого раствора КРТ для создания высокочувствительных фотоприемных устройств ИК диапазона:
-улучшение пороговых параметров и повышение однородности распределения по поверхности фотоэлектрических параметров фоторезисторов при облучении высокоэнергетическими электронами материала КРТ р- и п-типа проводимости;
-получение равномерно-легированных кристаллов КРТ р-типа проводимости при проведение радиационно-стимулированной диффузии серебра в процессе облучения высокоэнергетическими электронами;
-формирование п-р переходов в полупроводниковом материале КРТ на основе радиационного легирования ионами аргона и бора;
-применение для создания пространственно-неоднородных структур на основе КРТ высокоинтенсивного ионного легирования не приводящее к нарушению стехиометрического состава поверхностного слоя облученных кристаллов;
-оптимизация режимов работы мощных короткоимпульсных пучков электронов и ионов наносекундной длительности для получения полупроводникового материала и п-р переходов с требуемыми параметрами;
-разработка и создание высокочувствительных фоторезисторных приемников на основе эпитаксиального материала КРТ с использованием методов радиационной модификации материала.
18. Изготовлены лабораторные образцы ИК фотоприемников на основе узкозонных полупроводников КРТ для оптических систем зондирования атмосферы, тепловидения, сверхскоростных спектрофотометров, лазерных систем различного назначения.