Admittance characteristics of nBn structures based on HgCdTe grown by molecular beam epitaxy.pdf Введение Использование новых униполярных архитектур инфракрасных детекторов предоставляет возможности снижения темновых токов, которые ограничивают пороговые характеристики фотоприемников при достаточно высоких температурах [1, 2]. В перспективе снижение темновых токов позволит увеличить рабочую температуру детекторов MWIR- (3-5 мкм) и LWIR- (8-14 мкм) диапазонов без ухудшения пороговых характеристик. После предложения концепции понижения темновых токов при использовании в детекторах nBn-структур [3] активизировались исследования свойств таких структур, выполненных на основе материалов группы А3В5 [4-8] и на основе HgCdTe [9-12]. Исследования nBn-структур на основе HgCdTe вызывают значительный интерес из-за того, что фундаментальные свойства этого материала хорошо подходят для создания высокочувствительных инфракрасных детекторов [13, 14]. Известно значительное число работ, посвященных теоретическому изучению процессов в nBn-структурах на основе HgCdTe [15-19], и только несколько попыток практической реализации таких структур [20-23]. При создании nBn-струк¬тур из HgCdTe использовались различные методы: молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) [20-22] или осаждение металлорганических соединений из газовой фазы (MOCVD) [23]. Особенностью MOCVD является возможность получения качественных слоев HgCdTe p-типа проводимости, что расширяет набор возможных конфигураций барьерных детекторов [10, 24]. Разработка униполярных барьерных детекторов на основе МЛЭ HgCdTe позволит значительно упростить технологию фотоприемных устройств за счет исключения операций, направленных на формирование дырочных слоев при создании pn-перехода в фотодиодах на основе HgCdTe. Развитие экспериментальных методик изучения электрофизических свойств nBn-структур важно для анализа процессов в реальных структурах и уточнения распространенных идеализированных моделей. Распространенным и информативным методом исследования многослойных полупроводниковых структур различных типов является измерение адмиттанса в широком диапазоне условий [25-27]. При исследованиях nBn-структур этот метод пока применяется редко. Известны немногочисленные работы, посвященные исследованиям адмиттанса и вольт-фарадных характеристик (ВФХ) nBn-структур на основе материалов группы A3B5 [28-30]. Судя по доступной литературе, при изучении свойств nBn-структур на основе HgCdTe метод адмиттанса ранее не применялся. Целью данной работы является экспериментальное исследование процессов в nBn-структурах на основе МЛЭ HgCdTe с различными параметрами барьерных слоев при использовании метода адмиттанса в широком диапазоне условий измерения. Образцы и методики измерений Исследованные nBn-структуры на основе n-Hg1-xCdxTe выращивались в ИФП СО РАН методом МЛЭ на подложках из GaAs (013). Скорость роста гетероэпитаксиальных пленок находилась в пределах 1.5-1.7 мкм/ч. При выращивании пленок формировалось заданное распределение содержания CdTe (состава x) и концентрации донорной примеси индия. Распределение состава x по толщине пленки контролировалось при помощи автоматического эллипсометра в процессе эпитаксиального роста. Пример распределения состава и примеси для подобной nBn-структуры приведен в работе [31]. Схема расположения слоев в nBn-структуре, создаваемой для детектирования в MWIR-диапазоне, показана на рис. 1, а. Параметры слоев для исследованных структур № 1 и 2 приведены в табл. 1, в которой использованы следующие обозначения: x - содержание CdTe; Nd - концентрация донорной примеси индия; d - толщина слоя. Для создания приборной структуры при помощи фотолитографии проводилось локальное травление контактного покрывающего слоя и барьерного слоя до поглощающего (нижнего) слоя n-типа. Для обеспечения фронтальных контактов выполнялась металлизация получившихся островков - создавались полевые электроды различной площади из индия (рис. 1, б). Для создания обратного контакта (к поглощающему слою) также осуществлялась металлизация по периметру пленки. Для исключения поверхностных утечек проводилась пассивация фронтальной и боковой поверхности мезаструктуры путем нанесения Al2O3, созданного методом плазменного атомно-слоевого нанесения [32, 33]. При помощи специальной микроскопической методики для каждой nBn-структуры определялась площадь полевого электрода, которая для структур № 1 и 2 составила 0.188 и 0.191 мм2 соответственно. Рис. 1. Схематическое изображение слоев в nBn-структуре на основе МЛЭ HgCdTe (а) и (б) Таблица 1 Технологические параметры выращенных эпитаксиальных гетероструктур № структуры Поглощающий слой Барьерный слой Контактный слой x Nd, см-3 d, мкм x Nd, см-3 d, мкм x Nd, см-3 d, мкм 1 0.34 1.21015 3.2 0.83 1.21015 0.21 0.35 6.21016 0.99 2 0.35 1.81015 3.7 0.74 1.81015 0.30 0.36 7.51016 1.1 Измерения характеристик проводились на автоматизированной установке спектроскопии адмиттанса наногетероструктур на базе неоптического криостата Janis и измерителя иммитанса Agilent E4980A. Установка позволяла измерять зависимости адмиттанса от напряжения смещениия, температуры (9-300 К) и частоты (от 1 кГц до 2 МГц). За прямое направление развертки при измерениях принимается изменение напряжения от отрицательных значений к положительным, а за обратное направление развертки - от положительных к отрицательным. Для анализа экспериментальных зависимостей адмиттанса использовался метод эквивалентных схем [34, 35]. На рис. 2, а приведена параллельная схема замещения, которая использовалась при измерениях адмиттанса. В этом случае определяются значения параллельно соединенных емкости Cp и проводимости Gp = 1/Rp. На рис. 2, б показана последовательная схема замещения, которая удобна для представления и анализа результатов измерения адмиттанса nBn-структур. Эквивалентная схема из двух последовательных RC-цепочек (рис. 2, в) использовалась для моделирования характеристик nBn-структур (в частности, структуры № 1). Для характеристики процессов в полупроводниковых структурах используют нормированную на циклическую частоту  проводимость МДП-структуры . Рис. 2. Параллельная (а) и последовательная (б) эквивалентные схемы замещения, а также эквивалентная схема nBn-структуры при нулевом напряжении смещения (в) Экспериментальные результаты и их обсуждение На рис. 3 показаны зависимости емкости Cp и проводимости Gp от напряжения для nBn-струк¬туры № 1, измеренные при температуре 9 К при различных частотах тестового сигнала. Из рис. 3 видно, что ВФХ структуры значительно отличаются от зависимостей, приведенных в работах [29, 30]. Емкость максимальна при нулевом напряжении смещения и быстро уменьшается при увеличении частоты. Зависимости дифференциальной проводимости от напряжения, измеренные на разных частотах, полностью не совпадают. Наибольшие различия в зависимостях Gp(V) при изменении частоты наблюдаются в диапазоне напряжений от 0.5 до 1 В. Зависимости емкости и проводимости слабо зависят от направления развертки напряжения, на всех рисунках показаны характеристики, измеренные при прямой развертке напряжения. На рис. 4 приведены ВФХ и зависимости проводимости от напряжения для структуры № 2, измеренные на разных частотах при температуре 10 К. Для этой структуры емкость при малых смещениях слабо зависит от частоты, а зависимости проводимости от напряжения близки в широком диапазоне частот тестового сигнала. Кривая 8 на рис. 4 получена при помощи дифференцирования вольт-амперной характеристики (I(V)) по напряжению. Величина при заданном напряжении смещения близка к значению дифференциальной проводимости Gp, измеренной при том же напряжении, что согласуется с результатами работы [28]. Из рис. 3 и 4 видно, что проводимость Gp для структуры № 2 почти на три порядка превышает проводимость для структуры № 1. Особенностью ВФХ структуры № 2 является диапазон напряжений (вблизи -2 В), в котором емкость принимает отрицательные значения. Этот эффект наиболее выражен на низких частотах и практически исчезает при увеличении частоты. Ранее неоднократно сообщалось об измерениях отрицательной емкости полупроводниковых структур различных типов [36-38]. В общем случае, отрицательные значения емкости связывают с инерционностью изменения тока в структуре при изменении приложенного тестового напряжения [37]. Характер частотной зависимости эффекта показывает, что полученные результаты нельзя объяснить паразитной индуктивностью внешней цепи [36], а характеризуют собственные свойства структуры. Механизмы возникновения отрицательной емкости разнообразны, и для выявления конкретных причин наблюдаемого эффекта требуются дополнительные исследования. Рис. 3. Зависимости емкости Cp (кр. 1-4) и проводимости Gp (кр. 5-8) от напряжения смещения для nBn-структуры № 1, измеренные при температуре 9 К при прямой развертке напряжения при различных частотах, кГц: кр. 1, 5 - 5; кр. 2, 6 - 10; кр. 3, 7 - 20; кр. 4, 8 - 50 Рис. 4. Зависимости емкости Cp (кр. 1-5) и проводимости Gp (кр. 6-8) от напряжения смещения для nBn-структуры № 2, измеренные при температуре 10 К при прямой развертке напряжения при различных частотах, кГц: кр. 1, 6- 50; кр. 2 - 100; кр. 3 - 200; кр. 4 - 500; кр. 5, 7 - 1000. Кр. 8 получена путем дифференцирования ВАХ На рис. 5 показаны температурные зависимости емкости Cp и проводимости Gp структуры № 1, измеренные на частоте 50 кГц при различных напряжениях смещения. На зависимости емкости от температуры наблюдается максимум, амплитуда и положение которого зависят от смещения и частоты. Проводимость возрастает при увеличении температуры nBn-структуры. Рис. 5. Зависимости емкости Cp (кр. 1-5) и проводимости Gp (кр. 1-5) от температуры для nBn-структуры № 1, измеренные на частоте 50 кГц при прямой развертке напряжения при различных напряжениях, В: кр. 1, 5 - -0.8; кр. 2, 6 - -0.4; кр. 3, 7 - 0; кр. 4, 8 - 2 На рис. 6 и 7 символами показаны экспериментальные частотные зависимости емкости Cs и сопротивления Rs, измеренные при температуре 9 К и нулевом напряжении смещения для nBn-структур № 1 и 2 соответветственно. Линиями показаны частотные зависимости, рассчитанные при различных значениях элементов эквивалентной схемы (рис. 2, в). Из рис. 6 видно, что экспериментальные частотные зависимости для nBn-структур хорошо согласуются с результатами расчета. Наилучшее совпадение экспериментальных и расчетных данных достигается в темновом режиме при нулевом напряжении смещения. При увеличении напряжения на структуре или при воздействии освещения возможны небольшие различия экспериментальных данных и результатов моделирования. Для nBn-структуры № 1 эквивалентная схема содержит две последовательно соединенные цепочки, каждая из которых состоит из параллельно подключенных емкости и сопротивления (R1 и С1; R2 и C2). Тогда выражения для емкости Cs и сопротивления Rs имеют следующий вид: , . (1) На низких частотах ( и ) выражения упрощаются: , . (2) На высоких частотах ( и ) выражения имеют следующий вид: , . (3) При выполнении условия сопротивление Rs равно . (4) Рис. 6. Экспериментальные зависимости емкости Cs (кр. 1, символы) и сопротивления Rs (кр. 2, символы) от частоты для nBn-структу¬ры № 1, измеренные при температуре 9 К, а также расчетные частотные зависимости Cs (кр. 3, 5, 7) и сопротивления Rs (кр. 4, 6, 8) при различных значениях элементов эквивалентной схемы (R2, кОм; С2, пФ): кр. 3, 4 - (1436; 0.219), кр. 5, 6 - (1436; 0.500), кр. 7, 8 - (1000; 0.219) Рис. 7. Экспериментальные зависимости емкости Cs (кр. 1, символы) и сопротивления Rs (кр. 2, символы) от частоты для nBn-струк- туры № 2, измеренные при температуре 10 К, а также расчетные частотные зависимости Cs (кр. 3, 5, 7) и сопротивления Rs (кр. 4, 6, 8) при различных значениях элементов эквивалентной схемы (R1, кОм; С1, пФ): кр. 3, 4 - (1.9; 76), кр. 5, 6 - (1.0; 76), кр. 7, 8 - (1,9; 50) В табл. 2 приведены значения элементов эквивалентной схемы, найденные по результатам измерения адмиттанса при температуре 9 К и нулевом напряжении смещения для nBn-структур № 1 и 2. Таблица 2 Значения элементов эквивалентной схемы, определенные при 9 К и нулевом напряжении смещения № структуры R1, кОм C1, пФ R2, кОм C2, пФ 1 >105 37 1436 0.219 2 1.9 76 0.15 0.249 Из табл. 2 следует, что для обеих структур выполняются следующие соотношения: , , . Вид частотных зависимостей сопротивления Rs для структуры № 1 в диапазоне частот от 5 до 2000 кГц в значительной мере определяется значениями элементов R2 и C2 (рис. 6). Это позволяет определить значение R2 по значению Rs на участке слабой зависимости этого сопротивления от частоты. По наклону Rs() зависимости на высоких частотах при помощи выражения (4) можно определить значение емкости C2. При выполнении условий ( и ) для емкости Cs можно записать выражение , поэтому емкость С1 можно найти из значения емкости Cs на участке слабой зависимости этой емкости от частоты (рис. 6). Зная значение С1, можно найти емкость C2 по величине Cs на высоких частотах с использованием формулы (3). Для структуры № 1 можно достаточно точно определить значения С1, R2 и C2, а значение R1 в использованном диапазоне частот при низких температурах точно определить проблематично, хотя по отсутствию низкочастотного увеличения емкости Cs можно установить, что это сопротивление для структуры № 1 превышает 100 МОм. Для структуры № 2 реализуется значительно меньшее значение и в использованном диапазоне частот вид частотных зависимостей определяется в значительной мере значениями элементов R1 и С1 (рис. 7), которые можно достаточно точно определить. Значения элементов R2 и C2 в меньшей степени влияют на частотные характеристики, хотя определение этих значений также возможно. Рис. 8. Зависимости значений сопротивлений R1 (кр. 1) и R2 (кр. 2, 3) от температуры при напряжении 0 В (кр. 1, 2) и от напряжения при температуре 9 К (кр. 3) для nBn-структуры № 1 Из рис. 8, где показаны изменения значений сопротивлений R1 и R2 при различных напряжениях смещения (при 9 К) и различных температурах (при 0 В), видно, что при нагреве сопротивления R1 и R2 уменьшаются, причем сопротивление R1 имеет более резкую зависимость от температуры. Соотношение сопротивлений R1 и R2 определяет вид температурной зависимости емкости Cp и проводимости Gp структуры (см. рис. 5). Значения емкостей С1 и C2 слабо зависят от температуры. При подаче отрицательного (обратного) напряжения смещения на nBn-структуру № 1 сопротивление R2 возрастает, а при увеличении положительного (прямого) смещения значение R2 сначала заметно уменьшается, а затем изменяется немонотонно. При отрицательных смещениях емкость С1 уменьшается, а сопротивление R1 аналогично R2 при положительных напряжениях изменяется немонотонно с тенденцией к снижению (при уменьшении значения сопротивления R1 появляется возможность его определения). Рис. 9. Зависимости нормированной проводимос¬ти Lp от частоты для nBn-структуры № 1, измеренные при температуре 9 К и напряжении 0 В до воздействия излучения (кр. 1), при освещении (кр. 2) и через 5 (кр. 3) и 100 мин (кр. 4) после прекращения действия излучения, а также зависимость значения сопротивления R2 (кр. 5) от времени, прошедшего после прекращения действия излучения Измерения адмиттанса структуры № 1 при освещении излучением с длиной волны 0.91 мкм показали, что в условиях подсветки при нулевом напряжении и температуре 9 К значения сопротивлений R1 и R2 значительно уменьшаются (до 7.3 и 11.5 кОм соответственно), а емкость С1 увеличивается (до 68 пФ). После выключения подсветки значения элементов эквивалентной схемы R2 и C2 релаксируют к исходным значениям в течение длительного времени (изменения наблюдаются на протяжении нескольких часов). На рис. 9 приведены частотные зависимости нормированной проводимости Lp в темновом режиме, при освещении, а также через различные промежутки времени после выключения подсветки. На частотных зависимостях Lp() после воздействия освещения появляется максимум, который сдвигается в область низких частот с течением времени. На рис. 9 также показана релаксация значения сопротивления R2 после воздействия излучения. Значения элементов эквивалентной схемы структуры № 1 в исходном темновом режиме и после воздействия освещения приведены в табл. 3. Таблица 3 Значения элементов эквивалентной схемы структуры № 1, определенные при 9 К и нулевом напряжении смещения в исходном темновом режиме, при освещении и после воздействия освещения Условия измерения R1, кОм C1, пФ R2, кОм C2, пФ Исходный темновой режим > 105 37.1 1432 0.219 При освещении 7.3 68.0 11.5 0.219 После выключения освещения через 5 мин > 105 48.1 61 1.03 через 15 мин > 105 47.6 88 1.40 через 50 мин > 105 47.7 100 1.30 через 100 мин > 105 47.4 109 1.10 Из табл. 3 следует, что после воздействия освещения емкости С1 и С2 принимают большие значения (по сравнению с исходным темновым режимом) и релаксируют к исходному значению немонотонно и очень медленно, причем при освещении изменений емкости С2 не зафиксировано. Причины длительной релаксации параметров эквивалентной схемы после воздействия освещения остаются дискуссионными и для установления механизма долговременных изменений необходимы дополнительные исследования при более высоких температурах и на других структурах. Возможной причиной релаксации является изменение зарядового состояния дефектов в переходном слое на гетерограницах. В работе [31] при исследованиях адмиттанса МДП-структур, изготовленных на основе nBn-систем из МЛЭ HgCdTe, был обнаружен сходный эффект изменения электрофизических параметров на протяжении нескольких часов после выключения подсветки. Для физической интепретации элементов эквивалентной схемы R2 и C2 требуются дополнительные исследования. Эти элементы не связаны с процессами на обратном контакте или в объеме полупроводника, хотя неожиданно маленькие значения емкости C2 возможны при большой толщине (или малой площади) слоя, ответственного за эту емкость. Элементы эквивалентной схемы R1 и С1 предположительно связаны с барьерным слоем и областью пространственного заряда в поглощающем слое. Для структур № 1 и 2 емкости барьерного слоя (в предположении его полного обеднения [28]) составляют 90.8 и 67.0 пФ соответственно. Из сравнения этих значений с данными табл. 2 можно предположить, что для структуры № 1 толщина обедненной области превышает толщину барьерного слоя, а для структуры № 1 толщина обедненной области близка к толщине барьера. Можно отметить, что сопротивление R1 для структуры № 1 значительно больше, чем для структуры № 2, что согласуется с соотношением плотностей темновых токов, найденных для этих структур из вольт-амперных характеристик. Из полученных результатов следует, что наибольшее влияние на значение сопротивления R1 (и плотность темнового тока) оказывает состав в барьерном слое (а не его толщина). Выводы Таким образом, впервые экспериментально исследованы электрофизические свойства nBn-структур на основе МЛЭ HgCdTe с различными параметрами барьерных слоев при помощи измерений адмиттанса в широком диапазоне температур и частот тестового сигнала. Установлено, что на зависимости емкости и проводимости от напряжения влияют технологические параметры nBn-структур. Эти зависимости для структур на основе МЛЭ HgCdTe значительно отличаются от аналогичных характеристик nBn-структур на основе материалов группы A3B5 [28-30]. Каждому типу исследованных nBn-структур на основе МЛЭ HgCdTe присущи индивидуальные особенности вольт-фарадных характеристик и полевых зависимостей проводимости. Для структур с составом в барьерном слое, равном 0.74, при отрицательных напряжениях наблюдается отрицательная емкость, возникновение которой может быть связано с задержкой изменений тока при изменениях тестового напряжения. При увеличении температуры от 9 до 300 К дифференциальная проводимость nBn-структур на основе МЛЭ HgCdTe возрастает, а температурная зависимость емкости при использовании параллельной схемы замещения имеет выраженный максимум при напряжениях смещения, близких к нулю. Экспериментальные частотные зависимости емкости и проводимости хорошо согласуют с результатами расчета при использовании эквивалентной схемы, состоящей из двух последовательно соединенных параллельных RC-цепочек. Одна параллельная цепочка связана с областью пространственного заряда в барьерном (и частично в поглощающем) слое, механизмы формирования второй цепочки (с емкостью менее 0.5 пФ) остаются дискуссионными. Определены значения элементов эквивалентной схемы для структур с разными параметрами барьерного слоя, а также при разных температурах и напряжениях (для структуры с большим составом в барьерном слое). Обнаружено, что параметры эквивалентной схемы изменяются в течение нескольких часов после воздействия на структуру видимого освещения с длиной волны 0.91 мкм. Этот эффект согласуется с ранее обнаруженным длительным изменением параметров МДП-структур, изготовленных на основе nBn-систем другого типа [31], но для установления причины долговременных процессов в nBn-структурах необходимо проведение дополнительных исследований. Одним из возможных механизмов является изменение при освещении зарядового состояния дефектов, локализованных вблизи гетерограниц.

Скачать электронную версию публикации