Среди эпитаксиальных методов жидкофазная эпитаксия является наиболее развитым методом выращивания качественных однородных пленок и многослойных структур. Как следует из диаграмм состояния, выращивание методом жидкофазной эпитаксии происходит из псевдобинарных HgTe-обогащенных, Те- и Hg-обогащенных растворов. Первый подход в настоящее время не имеет никакого практического значения, главным образом, потому что требуются высокая температура порядка 700 °С и высокое (>10 атм.) давление ртути. Рост из Те-обогащенного раствора (420-500 °С), как и рост из Hg-обогащенного раствора (400-500 °С), с равным успехом использовался в различных конфигурациях. Рост из Те-раствора происходит при самом низком давлении ртути (=0.1 атм.). Основной трудностью являются окончательное удаление Те-обогащенного расплава с выращенных слоев и адаптация технологии для промышленных потребностей. Подобных проблем не возникает при выращивании из Hg-обогащенных растворов. Еще одним важным преимуществом этого подхода является легкость, с которой нужные примеси могут быть внедрены в Hg-обогащенные растворы. В отличие от метода выращивания из Те-обогащенных растворов, состав растущих слоев может быть радикально изменен в результате обеднения расплава Cd из-за низкой растворимости CdTe в Hg-обогащенных растворах. Этот недостаток был преодолен при помощи так называемого метода выращивания «неограниченный расплав». Термин «неограниченный расплав» предполагает использование расплава очень большого объема (>2 кг), в котором сохраняются постоянными температура и состав в течение всего процесса плавления. Совершенные нелегированные и преднамеренно легированные жидкофазные слои выращивались на подложках CdTe, CdZnTe, CdTeSe и гибридных подложках. Была продемонстрирована высокая однородность состава для х = 0.223 ± 0.001 по площади в пределах от 43 до 54 см². При управлении воспроизводимостью состава х = 0.226 ± 0.0033 при многократном выращивании (~200) достигается производительность >8000 см². Постоянными проблемами при выращивании методом ЖФЭ являются частые случаи террасной поверхностной морфологии, резкость границы раздела и относительно высокая плотность дефектов несоответствия и линейных дислокаций.

Выращивание из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (МОСГФЭ) - неравновесный метод, который представляется наиболее перспективным для будущего крупномасштабного и дешевого производства эпитаксиальных слоев. Главные преимущества его - невысокая температура роста и возможность изменения условий роста в процессе выращивания для получения заданной ширины запрещенной зоны и профилей легирования полупроводника. Невысокая температура осаждения позволяет использовать гораздо большее число видов подложек по сравнению с жидкофазной эпитаксией. МОСГФЭ наиболее часто используется для производства гибридных подложек для Hg_1-xCd_xTe. Особенность метода состоит в том, что в эпитаксиальном реакторе создается высокотемпературная зона, в которую поступает газовая смесь, содержащая разлагаемое соединение. В этой зоне протекает реакция и происходит выделение и осаждение вещества на подложке, а газообразные продукты реакции уносятся потоком газа-носителя.

1.6 Приборы на основе КРТ

Краткая справка.

В 1959 г. началось развитие исследований твердых растворов Hg_1-xCd_xTe (HgCdTe) с переменной шириной запрещенной зоны, предоставляющих широкие возможности для создания ИК-детекторов. Технологии выращивания HgCdTe развивались и продолжают развиваться, прежде всего, для военных применений. Требование секретности значительно замедляло сотрудничество среди исследовательских групп на национальном и особенно на международном уровне. Основное внимание привлекало создание матрицы фокальной плоскости (МФП), и намного меньше внимания уделялось исследованиям. Однако более чем за три десятилетия произошел значительный прогресс. В настоящее время HgCdTe является наиболее широко используемым полупроводником с переменной шириной запрещенной зоны для создания ИК-фотодетекторов.

Сначала рассмотрим принцип действия ИК-детекторов в общем.

ИК-детекторы.

Для большинства фоторезисторов на основе HgCdTe используется объемный материал, выращенный методом Бриджмена или методом твердотельной рекристаллизации, хотя сейчас применяется материал, изготовленный методами газо- и жидкофазной эпитаксии: ЖФЭ, МОСГФЭ и МЛЭ

В течение последующих с начала развития лет технология изготовления ОМ КРТ перетерпела ряд важных изменений. Была разработана и освоена технология выращивания МК из двухфазной смеси и внедрено легирование монокристалла индием. Первое мероприятие обеспечивало более высокую однородность состава и свойств МК по пластине, увеличивало выход годных. Легирование индием решило проблему стабильности ОМ КРТ, повысило однородность электрофизических и фотоэлектрических свойств, а также повысило выход годных. Изменения технологии получения ОМ КРТ неизбежно приводили к изменениям технологии изготовления фотоприемников. Главным направлением в разработке фотоприемников для тепловидения было создание фоторезисторов из ОМ КРТ на диапазон 8 - 14 мкм. До сегодняшнего дня фоторезисторы из КРТ являются основными сенсорами в различных видах тепловизионной техники.

Фоторезистор из КРТ способен использовать большую часть излучения в атмосферном окне (8 - 14 мкм), так как максимум спектральной чувствительности может приобретать в зависимости от состава КРТ любые значения в окне 8 - 14 мкм практически без ухудшения обнаружительной способности.

Фоторезисторы из ОМ КРТ, используемые в настоящее время, достигли параметров, близких к теоретическому пределу (ограничение фоном). При серийном производстве фотоприёмников и фотоприемных устройств возникают определённые трудности в реализации предельных параметров.

Особенности фоторезисторов на объёмных кристаллах КРТ.

Высокая подвижность носителей в n-типе КРТ, м?10⁵ см²/В*с и достаточно высокая собственная концентрация n_i (n_{i 77K} = 3*10¹³ см^-3) для E_g = 0,1 эВ, по сравнению с полупроводниками с большей шириной запрещённой зоны,

n_i = (2рkT/h²)*(m_e*m_p)^ѕ*e^-ДE/kT,

где T - температура полупроводника;

h - постоянная Планка;

m_e - эффективная масса электрона;

m_p - эффективная масса дырки;

ДE - ширина запрещённой зоны;

k - постоянная Больцмана,

и определяют высокую электропроводность ОМ КРТ

у = м*n*e.

Ограничения на уменьшение толщины рабочего слоя фоточувствительного элемента (ФЧЭ), накладываемые технологией утоньшения при химико-механическом полировании приклеенных к технологической подложке пластин, затрудняют получение достаточно высоких сопротивлений ФЧЭ путём уменьшения толщины слоя. Фоторезисторы из КРТ низкоомные. Величина сопротивления обычно 50 -70 ОМ в образцах с квадратной площадкой ФЧЭ. Стабилизирующий анодный окисел на нижней, приклеенной к подложке, поверхности ФЧЭ создаёт фиксированный заряд в приповерхностном слое, что снижает сопротивление до 25 - 35 Ом. При этом толщина рабочего слоя КРТ составляет 13 - 15 мкм. Низкое сопротивление фоторезистора создаёт определённые трудности, в его сопряжении с электроникой первичной обработки сигналов изображения. Низкое сопротивление фоторезистора приводит также к необходимости обеспечить значительные, по масштабам ФЧЭ, токи смещения, необходимые для получения максимального сигнала.

Шумы фоторезистора.

Фоторезисторы из ОМ КРТ имеют очень низкие шумы. Это связано как с достаточно большой величиной собственной концентрации, так и с относительно малым временем жизни носителей.

Генерационно-рекомбинационный шум при тепловом ограничении (см. выше)

U_G-R = 2*U_см*[p₀фДf/n₀*(n₀+p₀) V]^1/2

U_см - напряжение смещения,

ф - время жизни неосновных носителей заряда,

n₀ и p₀ - темновые концентрации электронов и дырок,

V - объём ФЧЭ,

Дf - информационная полоса частот.

При ограничении фоном, когда концентрация дырок в n-типе, генерируемых фоновым излучением становится сопоставимой с n₀, может измениться время жизни ф. Это скажется на изменении генерационно-рекомбинационного шума. Насыщение вольтовой чувствительности при увеличении напряжения смещения также связано с уменьшением времени жизни неравновесных носителей под влиянием фона и приводит также к зависимости генерационно-рекомбинационного шума от фона. То есть, «пролёт» носителей и фон влияют на генерационно-рекомбинационный шум через ф.

U_G-R = (eм_nR/м_d)*[зФ_ВlbДf]^Ѕ

где Ф_В - фоновый поток,

l - длина фоточувствительной площадки,

b - ширина фоточувствительной площадки,

м_d - дрейфовая подвижность.

То есть, имеет место насыщение генерационно-рекомбинационного шума, при млых фонах концентрация дырок определяется тепловой генерацией, насыщение генерационно-рекоминационного шума не наступает и в режиме пролета.

U_G-R = (2n_i/n₀) [Ueм_nRДf/ м_d] ^Ѕ

где U - напряжение смещения, в этом случае U_G-R изменяется как U_см^Ѕ.

В реальных высококачественных кристаллах, в которых время жизни неосновных носителей определяется Оже-рекомбинацией и лежит в пределах 10^-6 - 20*12^-6 с, а концентрация электронов в «n» - типе находится в пределах (2 - 5)*10¹⁴ см^-3, спектральная плотность шума составляет U_G-R = 2,5*10^-9 - 3,5*10^-9 В*Гц^-1/2. Для реализации обнаружительной способности фоторезистора

D* = S_U vA/U_ш

где S_U - вольтовая чувствительность фоторезистора,

А - площадь ФЧЭ.

U_ш =v(U_шn² + U_шy²)

Необходимо существенно снижать шумы предусилителей U_ш до 1 -1,5 нВ*Гц^1/2, что является достаточно сложной задачей, и повышать вольтовую чувствительность.

Вольтовая чувствительность.

S_U = зU_смф_эф/hнnAd

Где з - внешняя квантовая эффективность,

U_см - напряжение смещения,

ф_эф - эффективное время жизни неравновесных носителей заряда при рабочей температуре,

hн - энергия кванта в максимуме спектральной чувствительности,

n - концентрация носителей при рабочей температуре (77 К),

А - площадка ФЧП,

d - толщина ФЧП.

Из формулы видно, что в пределах заданного требованиями аппаратуры быстродействия, необходимо выбирать материал КРТ с максимальным временем жизни носителей, ф. А так же необходимо увеличивать до предельных значений напряжение смещения и уменьшать толщину ФЧЭ. По всем выше названным параметрам существуют ограничения. Минимальная концентрация носителей не может быть меньше собственной, которую в материале КРТ, получить очень сложно из-за наличия дефектов с малой энергией активации. Увеличение напряжения смещения ограничено явлением «пролёта» носителей, когда избыточные носители, возбуждённые излучением на одном конце ФЧП, успевают, под действием электрического поля смещения, добежать до противоположного контакта за время дрейфа сравнимое с временем жизни.

ф_пр = l²/м_дрU_см

где l - расстояние между контактами,

м_др - дрейфовая подвижность, определяется медленными носителями заряда (для КРТ х = 0,2 µ_др ? µ_p),

U_см - напряжение смещения.

Увеличение напряжение смещения фоторезистора в соответствии с формулой нахождения S_U приводит к увеличению вольтовой чувствительности до тех пор, пока уменьшающееся при этом время пролёта не ограничит S_U. Такой режим, когда повышение напряжение смещения не вызывает дальнейшего увеличения сигнала фотоответа называется режимом насыщения вольтовой чувствительности. В этом случае упрощается выражения для нахождения S_U. Для КРТ x = 0,215: м_n ? 10⁵ см²/В*с, м_p ? 300 см²/В*с. В режиме включения на согласованную нагрузку (R_T = R_H) вольтовая чувствительность насыщения:

S_Un = 1,5 R_T10³

где R_T - темновое сопротивление фоточувствительной площадки (ФЧП).

Так же для получения максимального фотоответа необходимо устранять потери на отражение излучения путём нанесения просветляющего диэлектрического покрытия.

Обнаружительная способность.

D* = (з/2hн) [(n₀+p₀)ф/n₀tp₀]^Ѕ

Где t - толщина слоя фоторезистора.

Для механизма Оже рекомбинации, реализующегося в монокристаллах КРТ высокого совершенства

ф_A = ф_Ai*2n_i/[n₀(n₀ + p₀)]

где ф_Ai - время жизни при Оже рекомбинации в собственном материале.

В этом случае:

D*_U = (з/2hн) [2ф_Ai/n₀t]^Ѕ

При скорости поверхностной рекомбинации приблизительно равной нулю и толщине ФЧЭ t ? б^-1, коэффициент поглощения б ? 10³ см^-1, принимая n₀ ~ 4*10¹⁴ см^-3 и ф ~ 10^-3 с при 77 К, получим D*_U = 2,2*10¹²*з, принимая з ? 0,8, получим D*_U ? 1,76*10¹². В реальных резисторах необходимо учитывать скорость поверхностной рекомбинации и ограничения, накладываемые фоновым излучением.

Величина обнаружительной способности при термическом ограничении получена также без учёта шумов в виде 1/f. Источником этих шумов, называемых избыточными, являются несовершенство контактов, неоднородность исходного материала КРТ, поверхностная рекомбинация.

Технология изготовления фоторезисторов из объёмных монокрисаллов (ОМ) КРТ в настоящее время достигла достаточно высокого уровня, позволяющего получить минимальные шумы вида 1/f, ограниченные по верхней частоте, как правило, 300 - 500 Гц.

Поскольку информационная полоса частот тепловизионных систем обычно находится в диапазоне 20 - 100 кГц, шумы вида 1/f вносят незначительный вклад в общий шум фоторезистора.

Низкая вольтовая чувствительность и обнаружительная способность наблюдается в фоторезисторах, изготовленных из образцов КРТ, в которых имеются большое число центров рекомбинации, что говорит о некачественном материале КРТ. Такой же результат возможен при неправильной, приводящей к образованию центров рекомбинации, обработке материала КРТ при изготовлении фоторезистора. В этом случае работает иной, быстрый механизм рекомбинации Шокли-Рида. Такие фоторезисторы обладают низкой вольтовой чувствительностью и обнаружительной способностью.

Правильно сконструированный, изготовленный из высококачественного материала КРТ фоторезистор имеет обнаружительную способность, ограниченную флуктуациями фоновых носителей (фоновое ограничение).

Стабильность параметров фоторезистора.

Низкая энергия активации некоторых дефектов в ОМ КРТ, связанных с вакансиями ртути и междоузельной ртутью, приводит к явлениям деградации свойств из-за ухода атомов ртути с поверхности образца и диффузии вакансий ртути внутрь образца. Этот процесс за большой период времени (год - два) может привести к изменению типа проводимости поверхностного слоя, достигающего при продолжительном хранении при повышенных температурах (60⁰ - 70⁰ С) 100 мкм и более.

Длительное время эта проблема сдерживала развитие фотоприёмников из ОМ КРТ. Ситуация изменилась после того, как были разработаны технологии легирования ОМ КРТ индием, пассивации поверхности образцов КРТ и нанесение защитных, в том числе просветляющих, покрытий.

Особое место занимает введение в монокристалл незначительного количества индия (N ~ 10¹⁵) в процессе выращивания монокристалла КРТ. Индий - амфотерная примесь в КРТ и является преимущественно донором. Монокристаллы, легированные индием, обладают не только большей стабильностью свойств при длительном хранении, но также большей однородностью по электрофизическим характеристикам и большими значениями времени жизни неравновесных носителей заряда в образцах «n» - типа.

Использование собственного анодного окисла позволило стабилизировать поверхность фоторезистора, но при этом увеличилась проводимость образца за счёт приповерхностного фиксированного заряда, создаваемого анодным окислом в КРТ.

Особенностью материала КРТ является его высокая чувствительность к обработке (шлифованию, полированию, травлению). Исходный, незащищённый образец ОМ КРТ в поверхностном слое ухудшает свои свойства при длительном воздействии повышенных температур (60 - 70⁰С). При изготовлении фоторезистора этот слой нуждается в удалении. Неизбежное утоньшение толстой пластины (1 мм) до толщины рабочего слоя порядка 15 - 17 мкм связано с химико-механической обработкой, которая также даёт нарушенный слой, который необходимо удалять финишным травлением. Это травление приводит к завалам краёв образца, ухудшению плоскости и снижению коэффициента использования ОМ КРТ.

Виды фоточувствительных элементов на основе ОМ КРТ.

Первым способом, использованном на практике, для увеличения вольтовой чувствительности фоторезисторов на КРТ диапазона 8 - 14 мкм был способ получения запирающих контактов. Запирающие контакты получались путём обработки подконтактных областей ионами аргона, под действием которых в подконтактной области возникали отрицательно заряженные дефекты. Электрическое поле подконтактной области уменьшало скорость дрейфа неравновесных носителей, продлевая тем самым, время жизни носителей, что приводило к увеличению вольтовой чувствительности при увеличении напряжения смещения в образцах (ФЧП размерами 50х50 мкм), в которых временем жизни носителей в КРТ в объёме было не менее 1 - 2 мкс. Обработка подконтактных областей ионами аргона сопровождалось травлением поверхности и её очищением, что также улучшало качество контактов. Конструкция фоточувствительного элемента с запирающими контактами схематически изображена на рисунке 12.

Рис. 12 Конструкция ФЧЭ с запирающими контактами.

1 - подложка контактного растра, 2 - контактная дорожка растра, 3 - клей, 4 - подложка ФЧЭ, 5 - клей, 6 - фоточувствительный слой КРТ, 7 - припой, 8 - контакт ФЧЭ, 9 - проводник Au, 10 - защитное просветляющее покрытие, 11 - подконтактный слой n⁺.

Фоточувствительный элемент с частично затенённой площадкой.

Для увеличения вольтовой чувствительности путём снижения влияния «пролёта» носителей в ряде случаев используются более сложная конструкция и технология изготовления ФЧЭ.

Рис. 13 Конструкция ФЧЭ с частично затемнённой площадкой.

1 - подложка контактного растра, 2 - клей, 3 - подложка слоя КРТ, 4 - клей, 5 - фоточувствительный слой КРТ, 6 - припой, 7 - проводник Au, 8 - контакт ФЧЭ, 9 - защитное покрытие, 10 - затеняющая металлическая шторка (In).

В конструкции (рис. 13) «электрический» размер ФЧП (расстояние между контактами) существенно больше, чем световой. Это достигается путём нанесения непрозрачной металлической шторки поверх защитного диэлектрического просветляющего покрытия удлинённой площадки. Таким образом, удлинённая и частично затенённая площадка превращается в квадратную. Время «пролёта» носителей в этом случае увеличивается с удлинением площадки, соответственно возрастает вольтовая чувствительность.

В конструкции фоточувствительного элемента величина «b» характеризует световой размер ФЧП, а величина «L» - электрический (расстояние между контактами, определяющее время «пролёта» носителей). Затеняющая металлическая шторка (10) получена напылением индия через маску.

Гетероэпитаксиальные структуры КРТ.

Рис. 15 ФЧЭ на основе ГЭС КРТ.

1 - подложка контактного растра, 2 - подслой хрома, 3 - контактная дорожка Au, 4 - клей, 5 - подложка GaAs, 6 - буферный слой CgZnTe, 7 - варизонный слой Cd_xHg_1-xTe, 8 - токоподвод Au, 9 - рабочий слой Cg_0,2Hg_0,8Te, 10 - припой InAu, 11 - варизонный слой Cd_xHg_1-xTe, 12 - слой CdTe, 13 - слой ZnSe, 14 - слой YtSc, 15 - слой n⁺.

Особенности фоторезистора на основе ГЭС КРТ с варизонными слоями, полученными методом молекулярно-лучевой эпитаксии.

- в возможности увеличения вольтовой чувствительности в 3 - 4 раза за счёт уменьшения толщины рабочего слоя до ? 5 мкм вместо 15 - 20 мкм в конструкции ФЧЭ с запирающими контактами и соответствующего увеличения темнового сопротивления;

- в практически полном подавлении поверхностной рекомбинации за счёт встроенного электрического поля варизонной структуры:

E = (1/e)*(dE_н/dx),

препятствующего диффузии неравновесных носителей к поверхности ФЧЭ.

Значение градиента состава варизонных слоёв определяются из соотношения скорости диффузии носителей заряда к поверхности и скорости дрейфа носителей в электрическом поле смещения, V_диф.<< V_др., где V_{диф. i} = D_p/b_i (D_p - коэффициент диффузии дырок в варизонных нижнем и верхнем слое, а b_i - толщина i-го варизонного слоя), V_др. = м_p(1/e)*(dE_н/dx).

Следовательно:

D_p/b_i << м_p(1/e)*(dE_н/dx),

dE_н/dx >> eD_p/b_i м_p.

D_p ? 2 см²/с; B = 2*10^-4 см; м_p ? 400 см²/В*с и eD = м_pkT ? 32,5 эВ/см. Таким образом E >> 35 В/см, что легко достижимо в варизонных слоях. Следствием этого является практически полная реализация времени жизни неравновесных носителей в объёме полупроводников:

- наличие варизонного слоя соответствующего градиента состава в фоторезисторе исключает шунтирование рабочей области поверхностными слоями и устраняет вклад поверхностной рекомбинации в шумы вида 1/f;

- варизонные слои фоторезистора приводят к расширению спектральной области фотоответа и увеличению интегральной чувствительности фоторезистора.

Выводы

Итак, в ходе выполнения курсовой работы я пришел к выводу, что КРТ - не только настоящее, но и будущее полупроводниковой технологии. В связи с его преимуществами без КРТ невозможно представить фотоприемную промышленность во всем мире. Считаю, что крайне важно дальнейшее развитие технологии и расширение возможностей по внедрению и применению КРТ как материала для фотодетекторов в нашей стране.

1. В работе я ознакомился с теорией проводимости полупроводников

2. Рассмотрел теоретические основы взаимодействия вещества со светом (фотопроводимости).

3. Проанализировал основные важные для применения свойства КРТ (физико-химические, оптические, электрические)

4. Выделил главные преимущества этого материала по сравнению с другими полупроводниками, конкурирующими с КРТ в производстве приборов (фотодетекторов),

5. Рассмотрел приборы на основе КРТ: их принцип действия и устройство.

6. Ознакомился с особенностями некоторых методов получения КРТ (объемных кристаллов и тонких пленок).