Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1 2
ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА
Сун Вейгуо
УДК 621.315.292
ІНФРАЧЕРВОНІ ДЕТЕКТОРИ НА ОСНОВІ HgMnTe :
ФІЗИЧНІ І ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ
Спеціальність
.04.10- фізика напівпровідників і діелектриків
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Чернівці –
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Інституті оптоелектроніки,
м. Лоян, Китайська Народна Республіка і
Чернівецькому державному університеті
імені Юрія Федьковича.
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Косяченко Леонід Андрійович, Чернівецький державний університет, завідувач кафедри оптоелектроніки
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Лашкарьов Георгій Вадимович, Інститут матеріалознавства НАН України, завідувач відділом (м. Київ)
доктор фізико-математичних наук, професор Паранчич Степан Юрійович, Чернівецький державний університет, професор кафедри фізичної електроніки
Провідна організація: Інститут фізики напівпровідників НАН України (м. Київ)
Захист відбудеться 27 вересня 2000 р. о 14-ій год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д76.051.01 при Чернівецькому державному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького державного університету імені Юрія Федьковича (вул. Л. Українки, 23).
Автореферат розісланий 25 серпня 2000 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради М.В. Курганецький
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми
Дослідження і розробка детекторів інфрачервоного (ІЧ) випро-мінювання є важливою науково-технічною проблемою. Представляючи значний фізичний інтерес, такі детектори, в той же час, є складовою частиною багатьох спектроскопічних систем для фундаментальних дос-ліджень, тепловізійної апаратури для промисловості, медицини і оточу-ючого середовища, пошуку природних ресурсів Землі, ІЧ радіометрів і далекомірів, інших галузях науки і техніки.
Сьогодні твердий розчин Hg-xCdxTe є одним із найважливіших напівпровідників для високоефективних ІЧ детекторів як фоторезистив-ного, так і фотовольтаічного типу. Однак, добре відомі і серйозні технологічні проблеми, зумовлені "нестабільністю" кристалічної гратки Hg-xCdxTe, поверхні кристалу і меж поділу. Ці проблеми спричиняють пошук матеріалу, який би дозволив покращити характеристики і параметри приладів, особливо для “атмосферного вікна” в області довжин хвиль 8-14 мкм.
Як альтернатива Hg-xCdxTe детекторам, були запропоновані фоторезистори на основі домішкової фотопровідності в Si і Ge, фотодіо-ди з бар’єром Шотткі типу Pt-Si і Ir-Si, дія яких базується на фотозбуд-женні носіїв з шару силіціду в напівпровідник. Досліджено також ІЧ детектори, які працюють на міжпідзонних електронних переходах в надгратках Ga-xAlxAs/GaAs, InAs-xSbx/InSb, Si-xGex/Si та іншого типу, а також високотемпературні надпровідники, зокрема YBaCuO або Ba-xKxBiO, спектр чутливості яких охоплює широкий діапазон від ультрафіолетового до міліметрового випромінювання. Проте всі ці детектори або потребують глибокого охолодження, або ж поступаються за ключовими параметрами перед фотодіодами на основі Hg-xCdxTe.
В середині 1980-х років було теоретично обгрунтоване перед-бачення, що твердий розчин телуриду ртуті-марганцю (Hg-xMnxTe) може стати перспективним матеріалом ІЧ техніки. В наступні роки це передбачення було підкріплене аналізом наукових і технологічних аспектів проблеми. Проте цілий ряд питань щодо електричних і оптичних властивостей монокристалів, механізмів переносу заряду і фотоелектричних процесів в діодних структурах, а також проблеми технології створення багатоелементних матриць Hg-xMnxTe фотодіодів, на початок виконання дисертації залишались нез’ясованими. З викладеного випливає актуальність дисертаційної роботи.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Дисертаційна робота виконана в рамках планів науково-дослідних робіт Інституту Оптоелектроніки (м. Лоян, КНР) в 1996-2000 рр. та науково-дослідної роботи "Дослідження процесів переносу заряду та оптичних явищ в бар'єрних структурах на основі напівпро-відникових сполук", які виконувались на кафедрі оптоелектроніки Чернівецького державного університету ім. Юрія Федьковича в рамках Координаційного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України "Фізика конденсованого стану, включаючи метали, напівпровідники, діелектрики та рідини" (1997-1999 рр.), а також двох угод про науково-технічне співробітництво між Чернівецьким державним університетом і Інститутом оптоелектроніки від 29 червня 1993 р. і 27 травня 1997 р.
Мета роботи
З‘ясування фізичних процесів, що визначають електричні і фото-електричні властивості діодних структур на основі Hg-xMnxTe (x 0.1), і розробка промислово-придатної технології виготовлення високо-стабільних багатоелементних детекторів інфрачервоного випроміню-вання на цьому матеріалі для спектральної області 3-14 мкм. Для досягнення цієї мети необхідно було розв‘язати наступні задачі :
* Дослідити необхідні для інтерпретації характеристик діодних структур електричні і оптичні властивості монокристалів Hg-xMnxTe (x 0.1), давши їм пояснення в рамках існуючої теорії.
* Розробити технологію формування p-n-переходів в Hg-xMnxTe, пасивації поверхні напівпровідника і створення омічних контактів до p- і n- областей структури. З використанням сучасної напівпровідникової технології виготовити багатоелементні Hg-xMnxTe детектори для області 3-14 мкм.
* З‘ясувати механізми переносу заряду в Hg-xMnxTe фотодіодних структурах, встановивши роль дифузійних, генераційно-рекомбіна-ційних, тунельних і лавинних процесів у визначенні їх характеристик.
* Пояснити фотоелектричні характеристики і параметри дослід-жуваних Hg-xMnxTe фотодіодів, особливо їх спектри чутливості та виявну здатність.
Наукова новизна одержаних результатів
* Фізично обгрунтовано і вперше реалізовано пасивацію Hg-xMnxTe фторидами марганцю, ртуті і телуру, а також трьохшарову Au/Cr/Pd/HgMnTe металізацію, що забезпечує надійний захист поверхні кристалу при малій густині поверхневих станів і омічність контактів до p- і n-областей діодної структури.
* Вперше дано кількісну інтерпретацію електричних характеристикдосліджуваних фотодіодів. З‘ясована роль в переносі заряду генерації-рекомбінації носіїв в збідненому шарі n+-p-переходу, дифузії, тунелювання і лавинного помноження носіїв.
* Із врахуванням фотогенерації в області просторового заряду і нейтральних областях діодної структури, а також поверхневої рекомбінації, обгрунтовано механізми, які дають кількісне описання спостережуваних спектрів фоточутливості і виявної здатності Hg-xMnxTe n+-p-переходів.
4 * На основі сучасної напівпровідникової технології вперше виготовлено багатоелементні матриці високостабільних Hg-xMnxTe фотодіодів з чутливими в атмосферних “вікнах” 3-5 і 8-14 мкм n+-p-переходами, сформованими іонним травленням.
Практичне значення одержаних результатів
Результати дослідження поглиблюють розуміння фізичних механізмів, що визначають електричні і фотоелектричні характеристики діодів на основі Hg-xMnxTe та інших вузькозонних напівпровідників. Одержані результати можуть бути застосовані в розробці і виробництві конкурентно здатних інфрачервоних детекторів на основі Hg-xMnxTe.
Публікації і особистий внесок дисертанта
За результатами дослідження опубліковано 10 праць: 7 статей в українських та зарубіжних наукових журналах та 3 тез доповідей на міжнародних конференціях. Список публікацій наведено в кінці автореферату. Дисертанту належить проведення всіх технологічних робіт по виготовленню зразків і переважна частина експериментальних досліджень [1-10], окрім частини результатів, представлених в роботах [1-3]. Аналіз одержаних результатів, їх інтерпретація і формулювання основних висновків роботи зроблені дисертантом або самостійно [4], або разом із співавторами опублікованих праць при його безпосередній участі [1-3, 5-10].
Апробація роботи
Основні результати дисертації були представлені на третій міжнародній конференції з проблем напівпровідникового матеріало-знавства (7-11 вересня 1999 р., Чернівці), міжнародній конференції "Advanced Materials" (3-7 жовтня 1999 р., Київ), п‘ятій міжнародній конференції з матеріалознавства та властивостей матеріалів інфрачервоної оптоелектроніки (22-24 травня 2000 р., Київ).
Структура і обсяг дисертації
Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаної літератури та додатку. Робота викладена на 150 сторінках, включає 48 рисунків, 4 таблиці і список літератури (86 джерел).
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обговорюється актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, приведено дані про апробацію роботи, публікації та особистий внесок дисертанта.
В першому розділі представлено аналітичний огляд літератури по темі дослідження. Розглянуто енергетичну структуру і залежності основних параметрів Hg-xMnxTe від вмісту марганцю і температури. Як і для Hg-xCdxTe, для Hg-xMnxTe, характерні: мала ефективна маса електронів, їх велика рухливість, інверсія типу провідності при зміні температури та інші ефекти. Явища переносу заряду і оптичні ефекти в Hg-xMnxTe, як “напівмагнітного” напівпровідника, при накладанні сильного магнітного поля детально вивчені, особливо при низьких температурах (4-20 К). Проте грунтовні дослідження електричних і оптичних властивостей цього матеріалу в слабких магнітних полях і актуальній для застосування в фотодіодах області температур 77-300 К фактично не проводились. Експериментальних даних по власному поглинанню в широкому спектральному діапазоні, які необхідні для інтерпретації фотоелектричних характеристик фотодіодів, немає. Електронно-діркові переходи в Hg-xMnxTe створювались в основному методом дифузії або іонної імплантації. Проте технологія виготовлення багатоелементних детекторів груповим методом із залученням пасивації, нанесення антивідбиваючих покрить, розгалуженої системи омічних контактів не апробована. Механізми переносу заряду в Hg-xMnxTe p-n-переходах детально проаналізовано теоретично з урахуванням дифузійних, генераційно-рекомбінаційних і тунельних механізмів. Не з’ясовано, який з цих механізмів за даних умов є домінуючим. Щодо фотоелектричних характеристик Hg-xMnxTe діодів, то детально досліджено процеси, що визначають виявну здатність, але, знову ж таки, тільки теоретично. Експериментальних даних щодо фотоелектричних характеристик діодів, включаючи їх спектри чутливості, недостатньо.
В другому розділі описано електричні та оптичні властивості монокристалів Hg-xMnxTe (виготовлені на кафедрі мікроелектроніки Чернівецького університету), які в подальшому використовувались для виготовлення і дослідження ІЧ детекторів. Представлено результати, необхідні для інтерпретації характеристик фотодіодних структур та визначення їх параметрів [1-3]. Доведено, що загалом електрична провідність кристалів Hg-xMnxTe (x 0.1) має змішаний характер. Вирощені кристали, звичайно р-типу провідності при низьких температурах, трансформуються при підвищенні температури в матеріал n-типу (внаслідок зростаючої ролі електронів в переносі заряду) при тим нижчій температурі, чим вужча заборонена зона напівпровідника Eg і менша концентрація акцепторів. Врахування набагато більшої рухливості електронів у порівнянні з дірками, а також залежності рухливості носіїв від температури, дозволяє пояснити спостережувані температурні залежності коефіцієнта Холла і електропровідності.
Результати розрахунків засвідчують, що завдяки тому, що в Hg-xMnxTe (x 0.1) ефективна маса електронів me набагато менша ефективної маси дірок mh (me 10mh), рівень Фермі може розташо-вуватись ближче до зони провідності напівпровідника навіть у випадку, коли концентрація акцепторів Na перевищує концентрацію донорів Nd . Оскільки рухливість електронів набагато більша ніж рухливість дірок (10), коефіцієнт Холла і при Na > Nd може мати від‘ємний знак. Важливо, що у вихідних монокристалах концентрація дірок звичайно перевищує концентрацію електронів і тим більше, чим нижча температура і ширша заборонена зона напівпровідника.
Оптичне поглинання в досліджуваних монокристалах Hg-xMnxTe зумовлене як міжзонними, так і внутрішньозонними переходами вільних носіїв. Міжзонне поглинання описується в рамках моделі Кейна із законом дисперсії в зоні провідності [1*]
Ec(k) = k/2me + 1/2[ (k) - Eg], (1)
де
(k) = (Eg + 8/3Pk)/2 , (2)
Ec –енергія електрона в зоні, k –хвильове число, постійна Планка, P параметр, який визначається енергетичною структурою кристала. В області 200 –см-1 ( - коефіцієнт поглинання) теорія дає завищені значення в порівнянні з експериментом. Таке “розмиття” краю власного поглинання пояснюється флуктуаціями складу та мікровключеннями з хімічним складом, відмінним від основного кристала. Застосована модель Кейна пояснює також темпе-ратурні зміни оптичного поглинання, якщо врахувати температурну залежність ширини забороненої зони напівпровідника, а також зміну ефективної маси носіїв заряду, особливо коли йдеться про матеріал n-типу провідності. З іншого боку в області < 700-800 см відхиленням закону дисперсії від параболічного можна знехтувати навіть для випадку вузькозонного Hg-xMnxTe.
Детальні дослідження, представлені в третьому розділі роботи засвідчують, що характеристики приладів на основі Hg-xMnxTe в значній мірі визначаються властивостями поверхні напівпровідника [2,7]. Тому при розробці технології виготовлення Hg-xMnxTe діодних структур явищам на поверхні і інтерфейсах “напівпровідник- діелектрик (пасивуючий шар)” і “метал-напівпровідник” надано значної уваги.
Для визначення енергії зв’язку, а також хімічного складу приповерхневих шарів і його зміни по товщині, застосовувалась методика рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФС) в поєднанні з поетапним стравлюванням іонами аргону з енергією 5 кеВ. [4]. Пасивація поверхні Hg-xMnxTe здійснювалась методом анодування фторидами в безводному розчині NHF в етиленгліколі. Результати РФС аналізу свідчать про те, що плівка, утворена при анодуванні Hg-xMnxTe, являє собою суміш фторидів Mn, Hg і Te, а також оксиду телуру, причому шар, що прилягає до Hg-xMnxTe, складається виключно з фторидів. Вольт-ємнісні характеристики структур метал-діелектрик-напівпровідник виявляють дуже малий гістерезис, що вказує на малу густину “повільних” поверхневих станів. Результати РФС аналізу показують також, що при паладіюванні Hg-xMnxTe ніякі сполуки з Pd не утворюються, а відбувається тільки його дифузія в приповерхневий шар кристалу. Проведені дослідження контактного опору свідчать про придатність процесу Au/Cr/Pd/HgMnTe металізації для створення омічних контактів як до n- так і p-областей фотодіодної Hg-xMnxTe структури.
В четвертому розділі представлено результати розробки технології виготовлення Hg-xMnxTe фотовольтаічних детекторів, яка включає ряд важливих етапів : (1) створення p-n-переходу з необхідним розподілом домішок по товщині, (2) здійснення пасивації для захисту поверхні напівпровідника і забезпечення мінімальних поверхневих струмів, (3) нанесення контактних площадок для приєднання електродів до p- і n-областей діодної структури [1, 2, 7]. Кожному з цих етапів звичайно передують хоч і допоміжні, але відповідальні операції.
Проведені дослідження іонного травлення (Ar) та іонної імплан-тації (B) кристалів Hg-xMnxTe p-типу провідності дозволили створити n+-p-переходи з відтворюваними і стабільними характеристиками, а методи фотолітографії забезпечили надання необхідної топології активних областей і контактних площадок баатоелементних матриць Hg-xMnxTe фотодіодів. Із застосуванням пасивації і багатошарової металізації виготовлено Hg-xMnxTe фотодіодні матриці планарного та меза типу з прийнятними для практичного застосування електричними і фотоелектричними характеристиками.
Важливим результатом, що випливає з електричних досліджень, є те, що висота бар‘єру в досліджуваних p-n-переходах (0.22-0.29 еВ) помітно перевищує ширину забороненої зони напівпровідника (~0.1 еВ). Цей факт свідчить про сильне виродження n-області діодної структури.
, (3)
де n –концентрація електронів. Для досліджуваних діодних структур значенню EFn 0.15-0.22 еВ відповідає реальна концентрація електронів (1-3)1018 см-3. Отже, застосована технологія приводить до утворення несиметричного n+-p-переходу, в якому збіднений шар розташовується в менш легованій p-області Hg-xMnxTe діодної структури.
В найбільшому за обсягом п’ятому розділі (48 стор.) представлено результати дослідження механізмів переносу заряду і фотоелектричних процесів в Hg-xMnxTe діодних сдруктурах із врахуванням специфіки p-n-переходу, виготовленого методом іонного травлення або іонної імплантації [6-10]. Хоч основні експериментальні дані одержані при 80 К, представлено також результати досліджень характеристик фотодіодів в інтервалі 80-200 К. Основна увага зосереджена на зразках, виготовлених на Hg-xMnxTe (x 0.1), тобто на матеріалі, придатному для детектування випромінювання в середній інфрачервоній області спектру.
В формуванні вольт-амперної (I-V) прямої характеристики Hg-xMnxTe діода при низьких зміщеннях домінує процес рекомбінації в збідненому шарі, коли I ~ exp(eV/2kT). Однак при вищих напругах крива
I(V) трансформується в залежність I ~ exp(eV/kT), що вказує на переважаючу роль надбар‘єрного (дифузійного) механізму струму. Відхилення I-V характеристики від залежності I ~ exp(eV/2kT) в області 0,1-0,2 В зумовлене особливостями рекомбінації в збідненому шарі, пов‘язаними з великою різницею ефективних мас електронів і дірок у вузькозонному Hg-xMnxTe (x 0.1) напівпровіднику. Згідно теорії Саа-Шоклі-Нойса найбільш ефективні генераційно-рекомбінаційні центри, розміщені не строго посередині забороненої зони, а зміщуються від неї внаслідок відмінності ефективних мас електронів і дірок me і mh на величину = (kT/2)ln(Nvno /Nсpo) [2*]. Для випадку досліджуваних p-n переходів в Hg-xMnxTe (x 0.1) величина при me/mh = 10 (no=po) складає 0.016 еВ при 80 К, тобто є суттєвою в порівнянні з Eg/2 0.05 еВ. Врахування цього факту дозволяє пояснити спостережувані особливості рекомбінаційного струму, який розраховувався за формулою [2*]
(4)
де e –заряд електрона, ni –власна концентрація носіїв, W –ширина p-n переходу, no і po –часи життя електронів і дірок,
, (5)
Eg* = Eg 2 + kTln(poNc/noNv), - енергетична віддаль рівня Фермі від валентної зони, Et –глибина залягання рекомбінаційного рівня, (x) - хід потенціалу в області просторового заряду [3*]. Проведені розрахунки показують, що при me = mh хід I(V) співпадає із звичайно застосовуваною аналітичною залежністю [4*], але при me = 10-2mh –відхиляється від неї подібно до експериментальних кривих.
Зворотні I-V характеристики Hg-xMnxTe діодів при низьких температурах в значній мірі визначаються тунелюванням в p-n-переході, а при підвищених напругах має місце додаткове збільшення струму із-за ударної іонізації (лавинного помноження носіїв) в сильному електричному полі p-n-переходу. В актуальній для практики області низьких напруг (0,1 В) при 80 К переважає термогенерація носіїв в області просторового заряду p-n-переходу. Послаблення ролі тунельного струму пояснюється його особливостями при eV o (o –висота бар‘єру). Розрахунок тунельного струму за формулою [3*]
. (6)
(mr - приведена маса електрона і дірки, і о діелектричні проникли-вості напівпровідника і вакууму) дає завищені в порівнянні з експери-ментом результати. Якщо ж для тунельного струму застосовувати більш загальну формулу
, (7)
де fn і fp - імовірності заповнення рівня з енергією Е відповідно в n+- і p-областях, а D(E) - імовірність тунелювання рівна
(8)
(x і x –класичні точки повороту), результати розрахунку при наближенні напруги до нуля сильно розходяться з формулою (6), хоч і співпадають з нею при напругах, вищих ~ 0,5 В.
Виявлені особливості тунелювання пояснюють також спостережу-вані значення і температурну зміну параметру якості, яким є добуток диференціального опору фотодіода Ro (при V = 0) на його площу A. Незважаючи на суттєвий вплив тунелювання і ударної іонізації при низьких температурах, добуток RoA для досліджуваних діодів визначається генераційно-рекомбінаційними процесами в області просторового заряду, складаючи при 80 К 20-30 Омсм і ~ 500 Омсм для діодів з граничною довжиною хвилі відповідно 10-11 і 7-8 мкм. В цьому випадку виявна здатність визначається фоновим опроміненням при 300 К і кутовій апертурі 180о і виявляється рівною відповідно ~ 510 смГц/2Вті ~10смГц/2Вт. Отже, за виявною здатністю досліджува-ні фотодіоди не поступаються Hg-xCdxTe фотовольтаічним детекторам.
Спектри фоточутливості досліджуваних діодних структур визначаються генеруванням електронно-діркових пар як в нейтральних n+- і p-областях, так і в області просторового заряду фотодіодної структури. Внесок фотогенерації електронно-діркових пар в кожній з цих областей знаходився із розв‘язку дифузійно-дрейфових рівнянь з відповідними граничними умовами [4*] і кривих оптичного поглинання, знайденими для Hg-xMnxTe кристалів. Розраховані в такий спосіб спектри фоточутливості діодів добре описують експериментальні результати. Основне розходження полягає в тому, що чутливість Hg-xMnxTe діодів заходить досить далеко в область енергії фотонів hv < Eg . Причиною цього є “розмитість” краю власного поглинання в Hg-xMnxTe кристалах, який добре апроксімуєься напівемпіричною залежністю Урбаха
, (9)
з параметрами o і o , знайденими з кривих оптичного поглинання. Врахування (9) призводить до адекватного описання спектрів фоточутливості досліджуваних діодних структур.
1. Електричні характеристики Hg-xMnxTe в інтервалі температур 77-300 К пояснюються в рамках моделі змішаної провідності вузькозонного напівпровідника з урахуванням сильної відмінності рухливостей електронів і дірок. У випадку, коли коефіцієнт Холла має від’ємний знак, концентрація акцепторів звичайно переважає концентрацію донорів, що принципово важливо з точки зору створення діодних структур на основі Hg-xMnxTe.
2. Внаслідок мікрофлуктуацій хімічного складу і дефектності монокристалів довгохвильовий край власного поглинання Hg-xMnxTe є розмитим у порівнянні із залежністю, очікуваною з теорії. Проте, в області зміни коефіцієнта поглинання > 200-300 см його спектральна залежність описується кейнівською моделлю з урахуванням значної відмінності ефективних мас електронів і дірок. При < 700-800 см відхиленням закону дисперсії в дозволених зонах від параболічного можна знехтувати навіть для випадку вузькозонного Hg-xMnxTe.
3. В результаті анодування в розчині NHF на поверхні Hg-xMnxTe утворюється плівка фторидів ртуті, марганцю і телуру, яка забезпечує надійний захист поверхні монокристалу і малу концентрацію поверхневих станів. Паладіювання з подальшим нанесенням хрому і золота призводить до створення низькоомних омічних контактів як до p- , так і до n- Hg-xMnxTe.
4. Іонне травлення (як і іонна імплантація) p-Hg-xMnxTe призво-дить до інверсії типу провідності в приповерхневому шарі кристала з великою концентрацією електронів (аж до ~ 10 см). Застосування методів фотолітографії, пасивації поверхні, Au/Cr/Pd/HgMnTe металі-зації забезпечує виготовлення багатоелементних фотодіодних матриць з необхідною топологією активних областей.
5. Перенос заряду в актуальній для практики області напруг і температур визначається генерацією-рекомбінацією носіїв заряду в збідненому шарі n+-p-переходу. Струм, зумовлений дифузією неосновних носіїв, стає суттєвим тільки при значних прямих напругах зміщення. При зворотному включенні струм через діод при низьких температурах в основному визначається тунелюванням. Його залежність від прикладеної напруги і температури описується в рамках моделі із врахуванням особливостей n+-p-структури і умов її застосування.
. Співставлення результатів електричних і фотоелектричних характеристик в широкому температурному інтервалі вказує на те, що при підвищених зворотних напругах в Hg-xMnxTe n+-p-переході здійснюється ударна іонізація атомів кристалічної гратки і, як наслідок, - помноження носіїв заряду. Це відкриває можливість застосування внутрішнього підсилення фотоструму в досліджуваних діодних структурах.
7. Урахування фотогенерації носіїв в збідненому шарі і нейтральних областях, а також поверхневої рекомбінації, дозволяє кількісно пояснити спектри фоточутливості досліджуваних Hg-xMnxTe n+-p переходів. Розширення фоточутливості в область hv < Eg зумовлене “розмиттям” краю власного поглинання в Hg-xMnxTe кристалах.
8. Виявна здатність діодів визначається генераційно-рекомбінаційними процесами в p-n-переході і при температурах рідкого азоту обмежується фоновим опроміненням, складаючи для діодів з граничними довжинами хвиль 10-11 і 7-8 мкм відповідно ~ 510 смГц/2Вті ~ 10 смГц/2Вт (температура фону 300 К, кутова апертура 180о). За цим параметром досліджувані діоди є конкурентно здатними по відношенню до Hg-xCdxTe фотовольтаічних детекторів.
Список цитованої літератури
1*. Kane E.O.. Band structure of indium antimonide // J. Phys. Chem. Solids: 1957.-V. 1, P. 249-261.
*. Sah C., Noyce R.N., Shockley W. Carrier generation and recombination in p-n junctions and p-n junction characteristics // Proc. IRE.-1957.-V. 45, №7.-P.1228-1243.
*. Косяченко Л.А., Махній В.П., Потикевич І.В. Генерація-рекомбінація в області просторового заряду контакту металCdTe // Український фізичний журнал.-1978,№2.-С. 279-286.
4*. Sze S.M. Physics of Semiconductor Devices. -2nd Edt.- New York: Wiley, 1981.- 868 p.
Основні результати дисертаційної роботи викладені в наступ-них публікаціях:
1. Kosyachenko L.A., Rarenko I.M., Bodnaruk O.O., Frasunyak V.M., Sklyarchuk V.M., Sklyarchuk Ye.F., Sun Weiguo, Lu Zheng Xiong. Characterization of Hg-xMnxTe single crystals and Hg-xMnxTe-based photodiodes // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics.-1999.-V. 2, №4.-P. 31-36.
2. Rarenko I.M., Bodnaruk O.O., Sun Weiguo, Kosyachenko L.A., Sklyarchuk V.M., Sklyarchuk Ye. F.. Optical properties of HgMnTe and HgCdMnTe alloys for infrared detectors // Abstracts of Third international conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors. September 7-11, 1999, Chernivtsy.- P. 276.
3. Kosyachenko L.A., Rarenko I.M., Bodnaruk O.O., Frasunyak V.M., Sklyarchuk V.M., Sklyarchuk Ye.F., Sun Weiguo, Lu Zheng Xiong. Characterization of Hg-xMnxTe single crystals and Hg-xMnxTe-based photodiodes. // Abstracts of International conference on Advanced Materials (Kiev, October 3-7, 1999), P. 11.
4. Sun Weiguo, Kosyachenko L.A., Rarenko I.M.. Anodic fluoride on HgMnTe // J. Vac. Sci. Technol. 1997.- A15, №4.- P. 2202-2206.
5. Косяченко Л.А., Раренко І.М., Боднарук О.О., Сун Вейгуо, Лу Женг Ксіонг. Генераційно-рекомбінаційні, тунельні і лавинні процеси в HgMnTe p-n-переходах // Науковий вісник Чернівецького університету: Фізика. 1998.- Вип. 40.- С. 59-64.
6. Kosyachenko L.A., Rarenko I.M., Bodnaruk O.O., Sun Weiguo, Lu Zheng Xiong. Electrical properties of HgMnTe photodiodes // Semiconductors. 1999- V. 33, №12.-P. 1293-1296.
7. Kosyachenko L.A., Rarenko I.M., Sun Weiguo, Lu Zheng Xiong. Charge transport mechanisms in HgMnTe photodiodes with ion etched p-n junctions // Solid-State Electronics.-2000.-V.44,№7.-P.1197-1202.
8. Косяченко Л.А., Остапов С.Э., Сун Вейгуо. Особенности генерационно-рекомбинацинных процессов в HgMnTe p-n-переходах // ФТП.-2000.-Т. 34, №6.-С. 695-697.
9. Косяченко Л.А., Сун Вейгуо. Механізми переносу заряду і фотоелектричні процеси в Hg-xMnxTe фотодіодах // Міжвідомчий науковий збірник: Фотоелектроніка. - 2000.-Вип. 8.-С. 1-5.
10. Sun Weiguo, Lu Zengxiong, Gong Qibing, I.M. Rarenko, L.A. Kosyachenko, S.E. Ostapov. Spectral responsivity and detectivity of HgMnTe mid-infrared photodiodes // Abstracts of Fifth International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics. (Kiev, May 22-24, 2000), P. 35.
Сун Вейгуо. Інфрачервоні детектори на основі HgMnTe : фізичні і технологічні проблеми.-Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук по спеціальності 01.04.10 –фізика напівпровідників і діелектриків. Чернівецький державний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці. 2000.
Дисертація присвячена фотодіодним детекторам для області 3-14 мкм, розробленим на основі твердого розчину Hg-xMnxTe (x 0,1). Електричні властивості монокристалів, які використовувались для виготовлення детекторів, інтерпретуються в рамках моделі вузькозонного напівпровідника із врахуванням значної відмінності ефективної маси електронів і дірок, а оптичні властивості –на основі теорії Кейна для напівпровідника із сильно непараболічними енер-гетичними зонами. Представлено результати дослідження фотодіодів з p-n-переходами, сформованими іонним травлення і багатоелементних матриць, виготовлених із застосуванням пасивації поверхні, фотоліто-графії і багатошарової металізації. З‘ясовано роль дифузії, генерації-рекомбінації, тунелювання і лавинних процесів в переносі заряду в досліджуваних діодах. Спектри фоточутливості пояснюються із враху-ванням генерації носіїв в n- і p-областях, а також в збідненому шарі діодної структури. Доведено, що виявна здатність фотодіодів визначає-ться генераційно-рекомбінаційними процесами.
Ключові слова: інфрачервоні детектори, твердий розчин Hg-xMnxTe, пасивація поверхні, перенос заряду в p-n-переході, спектральна чутливість і виявна здатність фотодіода.
Сун Вейгуо. Инфракрасные детекторы на основе HgMnTe : физические и технологические проблемы. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Черновицкий государственный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2000.
В диссертации представлены результаты исследования электрических и фотоэлектрических свойств фотодиодов для спектрального диапазона 3-14 мкм, разработанных на основе твердого раствора Hg-xMnxTe (x 0,1).
Электрические свойства монокристаллов, использованных для изготовления фотодиодов, объясняются в рамках модели смешанной проводимости узкозонного полупроводника с учетом сильного отличия подвижности электронов и дырок, а кривые оптического поглощения, обусловленные межзонными переходами, кейновской теории для непараболичной зоны проводимости с учетом сильного отличия эффективных масс носителей и "размытости" края поглощения из-за микрофлуктуаций химического состава полупроводника.
Электронно-дырочные переходы получены ионной импланта-цией или ионным травлением Hg-xMnxTe p-типа проводимости, приводящей к образованию приповерхностного слоя с высокой концентрацией электронов, т.е. к созданию несимметричного n+-p перехода. Пассивация поверхности осуществлялась анодированием в электролите на основе NHF, в результате чего образовывается слой фторидов ртути, марганца и теллура. Омические контакты к n+- и p-областям создавались многослойной Au/Cr/Pd/HgMnTe металлизацией. С использованием методов фотолитографии и нанесения антиотражающих покрытий изготовлены многоэлемен-тные матрицы Hg-xMnxTe (x 0,1) фотодиодов.
Результаты исследования электрических свойств фотодиодов показывают, что в актуальной для практики области напряжений и температур перенос заряда определяется генерацией-рекомбинацией носителей в области пространственного заряда, а диффузионный ток становится существенным только при повышенных прямых смещениях. При обратном включении диода имеет место туннелирование, описываемое в рамках существующей теории с учетом особенностей n+-p структуры и условий её использования. Сопоставление результатов электрических, фотоэлектрических и температурных измерений указывает на то, что при повышенных обратных напряжениях в Hg-xMnxTe n+-p переходе происходит ударная ионизация атомов кристаллической решетки и, как следствие, - лавинное умножение носителей заряда.
В диссертации показывается, что учет фотогенерации носителей в обедненной и нейтральных областях n+-p-структуры, а также поверхностной рекомбинации и “размытости” края оптического поглощения, позволяет объяснить наблюдаемые спектры фоточувстви-тельности исследуемых структур. Их обнаружительная способность определяется генерацией-рекомбинацией в n+-p-переходе и при температурах жидкого азота ограничена фоновым излучением, составляя для диодов с предельной длиной волны 10-11 и 7-8 мкм соответственно ~ 510 смГц/2Вт и ~ 10 смГц/2Вт (фоновая температура 300 К, угол обзора 180о), т.е. не уступает по этому показателю лучшим Hg-xCdxTe фотовольтаическим детекторам.
Ключевые слова: инфракрасные детекторы, твердый раствор Hg-xMnxTe, пассивация поверхности, перенос заряда в p-n-переходе, спектральная чувствительность и обнаружительная способность фотодиода.
Sun Weiguo. HgMnTe-Based Infrared Detectors: Physical and Technological Problems. - Manuscript.
Thesis for a Candidate's Sciences degree by speciality 01.04.10 - Physics of Semiconductors and Dielectrics. - The Yuri Fedkovich State University of Chernivtsy, Chernivtsy, 2000.
The dissertation is devoted to photovoltaic detectors for the 3-14 m region developed using Hg-xMnxTe (x 0.1) alloy.
The electrical properties of the single crystals used for fabrication of the Hg-XMnXTe detectors are interpreted in terms of a narrow-gap semiconductor with account made for significant difference between the electron and hole effective mass whereas their absorption properties within the Kane theory for semiconductors with highly nonparabolic energy bands.
The photodiodes with p-n junctions formed by ion etching, and the multielement arrays fabricated using surface passivation, photolithography and multilayer metallization processes are reported. The contributions of diffusion, generation-recombination, tunneling and avalanche multiplication in charge transport in the diodes have been established. The diode responsivity spectra are interpreted in the framework of model taking into account the generation of photocarriers in n- and p-regions as well as in the depletion layer. The detectivities of the samples are shown to be determined by generation-recombination processes in the depletion region of the diode.
Key words: infrared detectors, Hg-xMnxTe alloy, surface passivation, charge transport in p-n junction, photodiode responsivity and detectivity.