353Статья Комбаров Д.В
advertisement
УДК 538.975 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ ФОТОПРОВОДИМОСТИ И ФОТОМАГНИТНОГО ЭФФЕКТА ВЛИЯНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ОТЖИГОВ НА ПАРАМЕТРЫ ПЛЕНОК КАДМИЙ-РТУТЬ-ТЕЛЛУР Д. В. Комбаров1, Д. Ю. Протасов2, В. Я. Костюченко1 Сибирская Государственная Геодезическая Академия, 2Институт Физики Полупроводников СО РАН 1 Введение В настоящее время перспективным материалом для создания фотоприемных матриц (ФПМ) тепловизоров является твердый раствор Hg1-xCdxTe (КРТ). При осуществлении технологических операций по созданию ФПМ на КРТ, материал может подвергаться контакту с водой и воздействию повышенных температур. Как известно, такие условия могут приводить к значительным изменениям электрофизических параметров образцов. Однако основываясь на результатах работ, можно сказать, что эти изменения носят противоречивый характер. Так, в работе [1] показывается, что отжиг в атмосфере водорода образцов КРТ n-типа приводит к уменьшению времени жизни носителей заряда, за счет индуцированных водородом рекомбинационных центров (РЦ) Шокли-Рида без существенного изменения подвижности и концентрации носителей заряда. В работе [2] наоборот показано, что обработка КРТ n-типа в плазме водорода значительно увеличивает как время жизни, так и подвижность носителей заряда за счет пассивирования дислокаций водородом. В работе [3] было показано, что кипячение образцов КРТ n-типа в деионизованной воде приводит к смене типа проводимости на дырочный, причем получаемые таким образом значения концентрации дырок во много раз превышают концентрацию вакансий ртути, которая является основным акцептором в КРТ p-типа. До сих пор не сформировалось однозначного мнения о природе данного явления. Некоторые авторы связывают такие изменения параметров КРТ с гидрогенизацией, то есть проникновением атомов водорода в полупроводник с образованием химических связей, которая была теоретически рассмотрена для CdTe в работе [4]. Было показано, что в образцах p-типа водород выступает в качестве доноров, компенсирующих свободные дырки в валентной зоне, а в образцах n-типа водород принимает электрон, компенсируя доноры в образце. Такое поведение характерно для амфотерных примесей. Для изготовления ФПМ с большим количеством элементов в виде n-p переходов используются преимущественно плёнки КРТ p-типа. Поэтому целью работы являлось исследование изменений концентрации и подвижности основных носителей заряда, а так же подвижности и времени жизни неосновных носителей заряда в пленках КРТ pтипа при низкотемпературном отжиге после контакта образцов с водой. Образцы и экспериментальная установка Образцы для исследования были изготовлены в виде холловского мостика (рис. 1) из двух гетероэпитаксиальных структур (ГЭС) КРТ, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках из GaAs. Две исследуемые группы образцов (далее просто «№1» и «№2») из различных ГЭС имели примерно одинаковую толщину (10,5 мкм) и мольный состав кадмия (x=0,226). После роста эпитаксиальные плёнки отжигом в нейтральной атмосфере азота или гелия были переведены из n-типа проводимости в p-тип [5]. Рисунок 1. Классический холловский мостик Для измерения на образцах сигналов холловского напряжения, манитосопротивления, фотопроводимости (ФП) и фотомагнитного эффекта (ФМЭ) использовалась экспериментальная установка (рис.2). Рисунок 2. Экспериментальная установка. Образец в криостате помещался между полюсами электромагнита. Индукция магнитного поля изменялась от 0 до 2 Тл, ее значение измерялось датчиком Холла. При измерении эффекта Холла, магнитосопротивления и ФП в магнитном поле для геометрии Фойгта и Фарадея через образец пропускался постоянный ток I от источника. При измерении ФП образец освещался ИК-светодиодом (λ~0,94 мкм), питающимся от генератора импульсов на частоте f=330 Гц. Измеряемый сигнал регистрировался с помощью фазочувствительного нановольтметра (синхронный детектор) на опорной частоте генератора импульсов. Измерения проводились при температуре 77 К, которая контролировалась датчиком температуры. Сигналы с образца и с датчика Холла регистрировались компьютером. Методика определения параметров Для определения электрофизических и рекомбинационно-диффузионных параметров измерялись следующие сигналы: холловское напряжение, манитосопротивление, ФП в геометрии Фарадея и Фойгта, и ФМЭ. Сигналы с образцов измерялись до отжига, а так же после каждого этапа отжига. Низкотемпературный отжиг образцов производился в атмосфере воздуха при температуре 80°C. Перед отжигом образцы имели кратковременный контакт с водой. Основные образцы №1 и №2 отжигались сначала в 3 этапа по 5,5 часов. После этого был произведен их отжиг в течение 16 часов, а затем 23 часа. Контрольные образцы из каждой группы отжигались суммарное время – 16,5 часов, причем не имели контакта с водой до отжига. После всех этапов отжигов и измерений у одного из основных образцов группы №1 была стравлена поверхность на 3 мкм и вновь проведены измерения. Концентрация и подвижность основных носителей заряда определялись методом многозонной подгонки. В данном методе теоретические выражения для продольной и поперечной компоненты тензора проводимости подгонялись под их экспериментальные значения, полученные из холловского напряжения и магнитосопротивления [6]. Подгоночными параметрами являлись концентрация и подвижность. Подгонка осуществлялась методом наименьших квадратов с минимизацией целевой функции по алгоритму случайного поиска в сочетании с алгоритмом Хука-Дживса. Для повышения точности подгонки диапазоны значений концентрации и подвижности, внутри которых осуществлялся поиск решения, выбирались на основе результатов метода «спектра подвижности». Подвижность неосновных носителей заряда и коэффициент их захвата на РЦ определялись из теоретических выражений для ФП в геометрии Фарадея [7]. Время жизни неравновесных электронов определялось из совместного анализа ФП в геометрии Фойгта и ФМЭ [8]. Для реализации вышеописанных методов была написана программа на языке Object Pascal в интегрированной среде разработки Borland Delphi 7.0. Программа в едином окне позволяет рассчитывать на основе измеренных сигналов с образца многие параметры КРТ p-типа. Сначала, из сигналов холловского напряжения и магнитосопротивления рассчитывается тензор проводимости в магнитном поле, который используется для определения подвижности и концентрации основных носителей заряда при помощи методов «спектра подвижности» и многозонной подгонки. Затем найденные параметры используются программой для определения подвижности и коэффициента захвата на РЦ неосновных носителей заряда из сигналов ФП в геометрии Фарадея. Вычисленные параметры используются при совместном анализе сигналов ФП в геометрии Фойгта и ФМЭ. Это позволяет определить объемное время жизни неосновных электронов и скорости поверхностной рекомбинации на свободной и связанной с подложкой поверхностях КРТ-плёнки. Для уменьшения погрешностей определяемых параметров в программе предусмотрена функция многократной подгонки, позволяющая представлять результаты в виде гистограмм и обрабатывать статистическую информацию. Результаты экспериментов На графиках (рис. 3, 4) приведены изменения значений параметров образцов КРТ p-типа после каждого этапа контакта с водой и низкотемпературного отжига. Как показано на рис. 3, концентрация основных носителей заряда значительно возрастает для образцов №1 и №2. На контрольных образцах, не контактировавших с водой, изменений не наблюдалось. Подвижность основных носителей заряда монотонно убывает для образцов №1 и №2 (рис. 3). Изменения значений подвижности контрольных образцов незначительны. Изменение подвижности неосновных носителей заряда во всех образцах, в том числе контрольных, не зависит от изменения концентрации основных носителей заряда (рис. 4). Так же было обнаружено увеличение коэффициента захвата на РЦ для образцов №1 и №2. Рисунок 3. Изменение концентрации и подвижности основных носителей заряда в течение отжига. Линии соединяют точки для наглядности Рис. 4. Изменение подвижности и времени жизни неосновных носителей заряда в течение отжига. Линии соединяют точки для наглядности Как видно (рис. 4), увеличение времени жизни наблюдается как для основных, так и для контрольных образцов №1 и №2. Увеличение концентрации основных носителей заряда мы связываем с гидрогенизацией, происходящей из-за проникновения водорода в поверхностный слой пленки КРТ при контакте с водой, и последующей его активацией при низкотемпературном отжиге [3]. Отсутствие изменений концентрации основных носителей у контрольных образцов, не контактировавших с водой, позволяет сделать вывод о влиянии контакта с водой на увеличение концентрации. Стабильность концентрации основных носителей в образцах №2 при отжиге до 16,5 часов, предположительно, связана с образованием тонкого слоя окисла на поверхности образцов №1, так как они были выращены на год ранее образцов №2. Слой окисла из-за гофрированного рельефа на поверхности способствует проникновению водорода в полупроводник [9]. Уменьшение подвижности основных носителей заряда объясняется ростом их концентрации и, как следствие, увеличением ионизированных центров рассеяния. Отсутствие зависимости в изменениях подвижности неосновных носителей заряда для всех образцов от концентрации основных носителей заряда может быть объяснено тем, что из-за высокой подвижности свободных электронов при температуре 77 К они не рассеиваются на ионизированных центрах, а основным механизмом рассеяния служит рассеяние на оптических фононах. Объемное время жизни неосновных электронов в КРТ ограничено рекомбинацией Шокли-Рида и определяется концентрацией РЦ. Таким образом, причина увеличения времени жизни в образцах связана с уменьшением концентрации РЦ. Из теоретической работы [4] известно, что в образцах CdTe p-типа при гидрогенизации есть вероятность, что водород встанет на место Cd с образованием центров прилипания. Предполагая, что роль Hg в CdHgTe подобна роли Cd, можно сказать, что при гидрогенизации КРТ водород пассивирует рекомбинационные центры, встраиваясь в комплекс на основе вакансий Hg, тем самым увеличивая время жизни электронов. Доводами к данному предположению послужило увеличение коэффициента захвата на РЦ в образцах, что свидетельствует об увеличении концентрации центров прилипания. Так же, концентрация дефектов, связанных с вакансиями Hg, намного превышает концентрацию дефектов, связанных с вакансиями Cd и Te, так как энергия связи у Hg значительно меньше, чем у Cd и Te [10]. Следовательно, вероятность встраивания водорода в комплекс на основе Hg увеличивается. На графиках (рис. 5, 6) показаны изменения параметров образца №1 после травления его поверхности. Рис. 5. Изменение концентрации и подвижности основных носителей заряда после травления. Линии соединяют точки для наглядности Рис. 6. Изменение подвижности и времени жизни неосновных носителей заряда после травления. Линии соединяют точки для наглядности Как видно из графиков (рис. 5,6), после травления такие параметры как концентрация и подвижность основных носителей, а также подвижность неосновных носителей приблизились к своему первоначальному значению. Однако данные изменения не коснулись времени жизни неосновных носителей заряда, которое после травления осталось на том же уровне. Полеченные результаты можно объяснить наличием двух типов акцепторов при гидрогенизации: быстрых и медленных, с разными коэффициентами диффузии. Медленные акцепторы обеспечивают концентрацию порядка 1025 м-3 и проникают в пленку КРТ на глубину 2-4 мкм, а быстрые акцепторы обеспечивают концентрацию порядка 1021 м-3, и распределяются по всей толщине образца [3]. Таким образом, после травления пленки на 3 мкм, уменьшился вклад медленных акцепторов, которые давали основной вклад в изменение концентрации основных носителей заряда. Однако концентрация быстрых акцепторов, распределившихся по все толщине образца, оказалась достаточной, чтобы пассивировать РЦ, что привело к увеличению время жизни неосновных носителей. Этим можно объяснить отсутствие изменения значения времени жизни после травления пленки. Выводы Изучена зависимость свойств образцов КРТ p-типа после кратковременных контактов с водой от продолжительности низкотемпературного отжига. Обнаружено для разных групп образцов различие в зависимостях изменений концентрации и подвижности основных носителей заряда от продолжительности отжига до 16,5 часов. В образцах №2, выращенных позднее, значения параметров более устойчивы к отжигу, что может быть связано с морфологией поверхности. Однако дальнейший отжиг приводит к согласованному изменению параметров образцов №1 и №2. Увеличение концентрации основных носителей заряда можно объяснить внедрением атомов водорода после контакта с водой и отжига, которые заменяют вакансии Hg и создают акцепторный уровень и уровень прилипания. Увеличение времени жизни неосновных носителей, вероятно, является следствием пассивации водородом РЦ. При стравливании поверхности образца на 3 мкм значения концентрации и подвижности основных носителей, а также подвижности неосновных носителей заряда приблизились к своему первоначальному уровню, что указывает на расположение основной части акцепторов в приповерхностном слое. Отсутствие изменений времени жизни неосновных носителей после травления может быть объяснено наличием двух типов акцепторов с разными коэффициентами диффузии. Список литературы 1. Edwall D.D., DeWames R.E., McLevige W.V., Pasko J.G., Arias J.M. Measurement of Minority Carrier Lifetime in n-Type MBE HgCdTe and Its Dependence on Annealing // Journal of Electronic Materials, 1998. V. 27, No. 6. pp. 698-702. 2. Buieriu P., Grein C.H., Garland J., Velicu S., Fulk C., Stoltz A., Bubulac L., Dinan J.H., Sivananthan S.. Effects of Hydrogen on Majority Carrier Transport and Minority Carrier Lifetimes in Long-Wavelength Infrared HgCdTe on Si // Journal of Electronic Materials, 2006. V. 35. No. 6. pp. 1385-1390. 3. Варавин В.С., Сидоров Г.Ю., Гарифуллин М.О., Вишняков А.В., Сидоров Ю.Г. Влияние гидрогенизации на электрофизические свойства эпитаксиальных структур Hg1-xCdxTe // ФТП, 2011. Т.45. в. 3. с. 408-413. 4. Rak ZS., Mahanti S.D., Mandal K.C.. Ab Initio Studies of Hydrogen Defects in CdTe // Journal of Electronic Materials, 2009. V. № 38, No. 8. pp. 1539-1547. 5. Ю.Г.Сидоров, С.А.Дворецкий, В.С. Варавин, Н.Н.Михайлов Нанотехнологии при выращивании фоточувствительных структур теллурида кадмия ртути методом молекулярно-лучевой эпитаксии // Наука и технологии в промышленности, т.1, стр.39-45, 2010. 6. Кучис Е.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования // Е.В. Кучис. – М.: Радио и связь,1990. – 264 с. 7. Костюченко В.Я. Фотопроводимость в магнитном поле и фотомагнитный эффект в варизонных плёночных фотоприёмных структурах p-КРТ// Автометрия. – 2009. Т. 45. № 4. С. 41-48. 8. Костюченко В.Я., Протасов Д.Ю. Фотоэлектромагнитный комплекс методов определения рекомбинационно-диффузионных параметров носителей заряда в эпитаксиальных плёнках кадмий-ртуть-теллур p-типа // Вестник НГУ, 2010. 9. Панин А.В., Торхов Н.А. Влияние защитных плёнок SiO2 на диффузию атомарного водорода при гидрогенизации эпитаксиального n-GaAs // ФТП, 2000, Т34, в.6. с. 698703. 10. Физика соединений AIIBIV под. ред. А.Н. Георгобиани, М.К. Шейкмана. – М.: Наука, 1986. – 320 с.
