Localization and nature of radiation donor defects in arsenic-implanted MBE CdHgTe films.pdf Введение Твердые растворы CdHgTe (КРТ) являются одним из основных материалов инфракрасной фотоэлектроники [1]. В настоящее время активно развивается технология высокотемпературных фотоприемников на основе КРТ. Для таких приборов актуальна технология фотодиодов типа «p+- n», где электронный тип проводимости исходной n-базы получают путем её легирования донорной примесью. В результате время жизни носителей заряда в базе оказывается ограниченным безызлучательным механизмом CHCC (рекомбинация электрона и дырки с возбуждением другого электрона в более высокоэнергетическое состояние), и темновые токи фотодиодов могут быть снижены на два порядка по сравнению с токами в структурах типа «n+- p», где в базе, как правило, доминирует мономолекулярная рекомбинация. Наиболее распространенным методом создания p+-области в КРТ n-типа проводимости является ионная имплантация (ИИ), а наиболее часто используемой примесью - мышьяк [2, 3]. Технология формирования p+-n-переходов c использованием ИИ мышьяка является более сложной, чем технология формирования n+-p-переходов в вакансионно-легированном КРТ. ИИ в КРТ приводит к значительным радиационным нарушениям, что обусловлено малыми энергиями образования собственных дефектов, присущих этому материалу, и вне зависимости от валентности имплантированной примеси материал после ИИ обладает электронным типом проводимости из-за донорного характера образующихся дефектов. Создание p+-n-структуры с заданными электрофизическими параметрами требует как отжига радиационных дефектов, так и электрической активации введенного мышьяка. Для успешного решения этих задач необходимо знание природы и локализации введенных имплантацией дефектов. Целью настоящей работы являлось определение типов радиационных донорных дефектов, их пространственного расположения и природы в имплантированной мышьяком эпитаксиальной структуре (ЭС) КРТ, выращенной молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ). 1. Эксперимент Исходная ЭС CdxHg1-xTe была выращена в ИФП им. А.В. Ржанова СО РАН (г. Новосибирск) на подложке (013) CdTe/ZnTe/Si с контролем процесса роста in situ с помощью автоматического эллипсометра [4]. Состав активного слоя ЭС xa был равен 0.22, поверхностный состав варизонного защитного слоя (ВЗС) толщиной 0.4 мкм был равен 0.46; суммарная толщина ЭС составляла 9.1 мкм. Структура была in situ легирована индием с расчетной концентрацией ~ 6•1015 cм-3, так что после выращивания имела n-тип проводимости. Для того чтобы избежать «маскировки» высокой проводимостью электронов базового слоя n-типа влияния радиационных донорных дефектов, профилирование электрических параметров было проведено на образцах с исходным р-типом проводимости. Эти образцы были получены термическим отжигом ЭС в атмосфере гелия при низком давлении паров ртути (220 C, 24 ч). Исследовали два аналогичных образца - с сохраненным и удаленным ВЗС. Имплантация обоих образцов была проведена в одном цикле на установке IMC200 («Ion Beam Services», Франция) ионами As+ с энергией Е = 190 кэВ и флюенсом Ф = = 1015 см-2 без активационного отжига. Исследования электрических свойств ЭС проводили путем измерения полевых зависимостей коэффициента Холла RH (В) и проводимости (В) при 77 К в интервале магнитных полей 0.01-1.2 Тл. Для анализа экспериментальных зависимостей RH(В) и (В) и определения состава и параметров носителей использовали разработанный авторами [5] метод дискретного анализа спектров подвижности (Discrete Mobility Spectrum Analysis (DMSA)). Структурные дефекты исследовали методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в режиме светлого поля при помощи электронного микроскопа Tecnai G2 (FEI Company). Для приготовления тонких фольг была использована методика травления сфокусированным ионным пучком Ga+ в установке FEI Quanta 200, оснащенной системой манипуляции образцами OmniprobeTM lift-out. Профили распределения имплантированных ионов исследовали методом масс-спектроскопии вторичных ионов (ВИМС) на установке Cameca IMS-6F (Франция) с предельной концентрацией обнаружения мышьяка ~ 1016 cм-3. 2. Результаты и их обсуждение Анализ спектров подвижности имплантированной ЭС показал, что вклад в проводимость был обусловлен четырьмя типами носителей: электронами с высокой подвижностью (~ 90000 cм2/(В•с)), двумя типами электронов с низкой подвижностью (~ 20000 cм2/(В•с) и ~ 5000 cм2/(В•с)), а также тяжелыми дырками, при доминировании вклада электронов. Таким образом, в результате имплантации были сформированы n+-n-p-структуры, подобные тем, что наблюдались авторами в образцах КРТ р-типа после ИИ мышьяка с флюенсами 1012-1015 см-2 [6, 7]. В таких структурах р-область представляет собой оставшуюся часть исходной структуры р-типа, не модифицированную при ИИ, а n+-n-область характеризует результат действия ИИ, поскольку наблюдаемые в ней носители отсутствуют (или же их вклад пренебрежимо мал) в исходных структурах и р-, и n-типа. В таблице приведены параметры электронов в ЭС после ИИ, где σ0 - интегральная проводимость. Параметры электронов в имплантированных ЭС Параметр электронов Образец с ВЗС, σ = 29.4 (Oм•cм)-1 Образец без ВЗС, σ = 33.6 (Oм•cм)-1 Средняя концентрация, cм-3 Подвижность, cм2/(В•с) Средняя парциальная проводимость, (Oм•cм)-1 Средняя концентрация, cм-3 Подвиж-ность, cм2/(В•с) Средняя парциальная проводимость, (Oм•cм)-1 С высокой подвижностью 4.85•1014 97200 7.54 5.06•1014 90700 7.35 Со средней подвижностью 5.95•1014 23700 2.26 8.28•1014 18800 2.49 С низкой подвижностью 2.34•1016 4790 17.9 3.02•1016 4530 21.9 Для определения распределения носителей по глубине имплантированных ЭС было проведено послойное химическое травление с измерением после каждого шага травления зависимостей RH(В) и (В) и их анализом методом DMSA с определением состава носителей и их параметров. Для этого имплантированные структуры были разделены на шесть образцов. Химическое травление в растворе 0.05 % Br2+HBr проводили индивидуально и одноразово для каждого образца. Толщина удаленного слоя определялась по сдвигу экстремумов интерференционных полос в спектрах пропускания при 300 К. Из рис. 1 и 2, где представлена эволюция первичных огибающих спектров подвижности образцов с ВЗС и без него после трех (нечетных) шагов травления, видно, что огибающие спектров подвижности для этих образцов, в принципе, схожи. Вид огибающих после стравливания порядка 300 нм свидетельствует, что слой, в котором электроны с низкой подвижностью давали доминирующий вклад в проводимость, был удален (кривые 4 и 5). Параметры электронов с высокой подвижностью при травлении изменялись слабо, что говорит о том, что слой материала, в котором доминируют эти носители, практически не затрагивается при травлении. В результате анализа огибающих спектров подвижности образцов, подвергнутых химическому травлению, были определены параметры трех типов электронов с разной подвижностью: подвижность и средняя концентрация и парциальная проводимость (данные параметры рассчитывались на полную толщину образца с учетом стравленного слоя). Рис. 1. Первичные огибающие спектров подвижности образца с ВЗС: кр. 1 - as-grown (n-тип); кр. 2 - после отжига (р-тип); кр. 3 - после ИИ, и после ИИ и стравливания слоёв толщиной 0.12 мкм (кр. 4), 0.46 мкм (кр. 5), 0.78 мкм (кр. 6) Парциальный вклад в величину σ0 электронов с низкой подвижностью доминировал после ИИ и после стравливания слоя толщиной примерно до 300 нм. При дальнейшем травлении парциальная проводимость, обусловленная вкладом этих электронов, резко уменьшалась. Аналогичные изменения наблюдались и для средней концентрации этих электронов. Таким образом, электроны с низкой подвижностью были локализованы до глубины ~ 400 нм. Рис. 2. Первичные огибающие спектров подвижности образца без ВЗС: кр. 1 - as-grown (n-тип); кр. 2 - после отжига (р тип); кр. 3 - после ИИ, и после ИИ и стравливания слоёв толщиной 0.32 мкм (кр. 4), 0.54 мкм (кр. 5), 0.73 мкм (кр. 6) Параметры электронов с высокой подвижностью, ответственных за проводимость в n-области структуры, при травлении оставались практически постоянными. После удаления слоя толщиной более 400 нм парциальная проводимость данных электронов была доминирующий, её заметное уменьшение наблюдалось лишь при последних травлениях, что можно было связать с уменьшением толщины n-области в n+-n-p-структуре. Таким образом, пространственно n-область начиналась на глубине 700-800 нм. Формирование такой области в КРТ при ИИ и ионном травлении является хорошо известным фактом [6-9]. Образование этой области связано с генерацией междоузельной ртути в области радиационного дефектообразования, ее диффузией в глубь образца и аннигиляцией с исходными акцепторными дефектами материала - вакансиями ртути. Электронный тип проводимости в данной области после аннигиляции этих дефектов определяется остаточными или веденными донорными примесями (в рассматриваемом случае - индием). Для исследования пространственного распределения различных типов электронов и их парциальной проводимости были рассчитаны значения слоевых концентраций и парциальных проводимостей для каждого шага травления и для каждого типа носителей. Далее были рассчитаны для каждого типа носителей объемные и слоевые концентрации электронов и парциальные проводимости. Результаты профилирования концентраций приведены на рис. 3 и 4. Здесь точки на кривых объемной концентрации электронов показывают величины, рассчитанные дифференцированием по точкам (значениям) слоевой концентрации. Линии - аппроксимирующие кривые. Можно и здесь отметить сходство данных, полученных на образце с ВЗС и без него. Рис. 3. Распределение по глубине слоевой Ns (кр. 1, 2, 3) и объемной n (кр. 1’, 2’, 3’) концентрации электронов с низкой (кр. 1, 1’), средней (кр. 2, 2’) и высокой (кр. 3, 3’) подвижностью в образце с ВЗС Характер изменения средней концентрации и парциальной проводимости электронов со средней подвижностью при травлении был аналогичен таковому для электронов с низкой подвижностью, однако после удаления слоя толщиной 500 нм парциальная проводимость первых превысила таковую для вторых. Таким образом, область локализации электронов со средней подвижностью простиралась до глубины порядка 700-800 нм. Рис. 4. Распределение по глубине слоевой Ns (кр. 1, 2, 3) и объемной n (кр. 1’, 2’, 3’) концентрации электронов с низкой (кр. 1, 1’), средней (кр. 2, 2’) и высокой (кр. 3, 3’) подвижностью в образце без ВЗС Для выводов о природе происхождения различных типов носителей профили распределения концентраций электронов и имплантированных ионов были наложены на изображения ПЭМ поперечного сечения образцов. Для образца с ВЗС результат наложения представлен на рис. 5. После ИИ доминирующий вклад в проводимость дают электроны с низкой подвижностью (см. рис. 3, кривая 1) с концентрацией в максимуме ~ 1018 см-3. Как видно на рис. 5, они локализованы в слое, содержащем имплантированные ионы мышьяка (кривая 2). В этом же слое локализованы протяженные радиационные дефекты, которые были ранее идентифицированы как дислокационные петли [7]. Рис. 5. Профиль распределения мышьяка по данным ВИМС (кр. 1) и профили концентраций электронов с низкой (кр. 2) и высокой (кр. 3) подвижностью по данным измерений электрических параметров, наложенные на изображение ПЭМ поперечного сечения образца с ВЗС после имплантации Таким образом, область локализации электронов с низкой подвижностью простирается на глубину примерно до 400 нм, и совпадает с областью локализации имплантированных ионов As (кривая 1) и протяженных структурных дефектов (дислокационных петель). Отметим, что при ионном травлении КРТ образование нарушенного n+-слоя также связывалось с образованием дислокационных петель, а механизм проводимости в нём - с образованием донорных дефектов путем захвата петлями атомов междоузельной ртути [10]. Поэтому и в случае ИИ можно считать, что электроны с низкой подвижностью обусловлены аналогичными донорными центрами. Как следует из кривой 3 на рис. 5, область локализации электронов со средней подвижностью n+-области проcтирается на глубину порядка 700-900 нм. Глубже 400 нм уже нет протяженных дефектов, способных захватывать междоузельную ртуть, так что появление этих электронов должно быть обусловлено другими донорными дефектами. Действительно, на глубинах свыше 350 нм на изображении ПЭМ (ниже линии II на рис. 5) наблюдается однородный диффузный фон. Этот слой содержит радиационные квазиточечные дефекты, которые были обнаружены непосредственно в экспериментах по резерфордовскому обратному рассеянию в образцах КРТ, подвергнутых ИИ мышьяка [11] (рис. 5, кривая 4). То есть донорные дефекты, отвечающие за этот тип электронов, - это комплексы междоузельной ртути с другими точечными дефектами. Выводы Таким образом, сравнение данных, полученных путем измерений полевых зависимостей RH(В) и (В) в сочетании с послойным химическим травлением и их анализа с помощью метода DMSA, с данными ПЭМ и ВИМС, позволило обнаружить и идентифицировать донорные дефекты, образовавшиеся в результате ионной имплантации мышьяка в ЭС КРТ, выращенных МЛЭ. В материале р-типа проводимости в результате ИИ сформировалась n+-n-структура. В её n+-n-области обнаружены три типа электронов с разной подвижностью, обусловленные соответствующими донорными дефектами. Электроны с низкой подвижностью порядка 5000 cм2/(В•с) локализованы в приповерхностном n+-слое толщиной ~ 400 нм, где находятся протяженные структурные дефекты - дислокационные петли. Донорный центр, обуславливающий наличие электронов с низкой подвижностью, является дефектом на основе междоузельного атома ртути, захваченного такой петлей. Электроны с промежуточной подвижностью ~ 20000 cм2/(В•с) локализованы также в n+-слое, в области существования квазиточечных радиационных дефектов, простирающейся до глубины 700-900 нм. Здесь природа донорных дефектов - комплексы, образованные атомами междоузельной ртути с другими точечными дефектами. Электроны с высокой подвижностью ~ 90000 cм2/(В•с) локализованы в n-слое на глубине более 700-900 нм. Формирование этой области связано с диффузией междоузельной ртути, генерируемой при имплантации, и ее аннигиляцией с вакансиями ртути в материале р-типа проводимости. Электронная проводимость этой области определяется остаточными или введенными донорными примесями, присущими исходному образцу.

Скачать электронную версию публикации