Current-voltage characteristics of nBn-structures based on mercury-cadmium-telluride epitaxial films.pdf Введение Фундаментальные свойства полупроводникового раствора кадмий - ртуть - теллур (HgCdTe) хорошо подходят для создания высокочувствительных инфракрасных детекторов, в том числе для спектральных диапазонов 3-5 и 8-12 мкм (MWIR и LWIR соответственно) [1, 2]. Наилучшие пороговые характеристики детекторов реализуются при довольно низких рабочих температурах, когда доминирующие шумы фотоприемника определяются не темновыми токами, а фоновым излучением [3]. Для повышения рабочей температуры инфракрасных детекторов предложена концепция понижения темновых токов в барьерных детекторах, которые могут иметь, например, nBn-конфигурацию [4]. Недостатком технологии популярных гибридных матриц фокальной плоскости на основе фотодиодов из HgCdTe, выращенного методом МЛЭ, является необходимость использования при создании электронно-дырочных переходов ионной имплантации, вызывающей снижение качества материала [5, 6]. Барьерные детекторы с nBn-архитектурой могут быть реализованы на основе слоев одного типа проводимости, то есть быть униполярными, что очень важно при разработках фотоприемных устройств на основе МЛЭ HgCdTe [7]. Значительное число исследований посвящено теории и практической реализации nBn-структур на основе материалов группы А3В5 [8-10], что частично связано с отсутствием в таких структурах потенциальных барьеров для дырок (конфигурация гетероперехода II типа) [11]. В полупроводниковом растворе HgCdTe реализуется конфигурация I типа [12], при которой возникают разрывы потолка валентной зоны на гетерограницах. Эта особенность многослойных систем на основе HgCdTe усложняет создание высокочувствительных детекторов на основе nBn-структур. Активизация теоретических исследований в области создания униполярных барьерных детекторов на основе HgCdTe [13-19] связана с фундаментальными достоинствами материала и возможностями снижения (или устранения) потенциального барьера в валентной зоне путем изменения дизайна барьерного слоя. Известно только несколько работ [20-24], посвященных практической реализации nBn-структур на осно¬ве HgCdTe и изучению их характеристик. Плотность темнового тока при обратном смещении nBn-структур определяет шумовые свойства детекторов при достаточно высоких температурах. Изучение в широком диапазоне условий вольт-амперных характеристик (ВАХ) nBn-структур на основе HgCdTe необходимо для понимания процессов в таких системах, что важно при оптимизации конструктивных и технологических параметров приборных структур. Целью работы является экспериментальное исследование механизмов формирования ВАХ MWIR nBn-структур на основе МЛЭ HgCdTe с различными параметрами барьерных слоев в широком диапазоне температур. Образцы и методики измерений Структуры для исследований создавались на основе пленок n-Hg1-xCdxTe, выращенных в Институте физики полупроводников СО РАН методом МЛЭ на подложках из GaAs (013). Скорость выращивания эпитаксиальных пленок составляла 1.5-1.7 мкм/ч. В процессе роста формировались заданные профили состава x и концентрации донорной примеси In по толщине пленок HgCdTe. Для контроля распределения состава x по толщине пленки использовался метод эллипсометрии. Некоторые конструктивные и технологические параметры исследованных структур приведены в таблице, где x - состав, Nd - концентрация примеси индия, d - толщина слоя. Для наглядности в таблице также даны значения энергии ширины запрещенной зоны (Eg) для каждого слоя. На рис. 1 показаны распределения состава и примеси по толщине пленки для nBn-структур № 2 и 3, для структуры № 1 аналогичные зависимости приведены в работе [25]. Технологические параметры выращенных эпитаксиальных гетероструктур № п/п Поглощающий слой Барьерный слой Контактный слой x; Eg, эВ Nd, см-3 d, мкм x; Eg, эВ Nd, см-3 d, мкм x; Eg, эВ Nd, см-3 d, мкм 1 0.29; 0.227 3.811015 2.52 0.67; 0.864 3.811015 0.12 0.33; 0.291 3.811015 0.32 2 0.38; 0.370 1.531015 3.71 0.75; 1.020 1.531015 0.30 0.39; 0.386 7.701016 1.05 3 0.35; 0.322 1.271015 3.34 0.84; 1.213 1.271015 0.21 0.37; 0.354 6.651016 1.02 При изготовлении образцов для исследований контактный и барьерный слои локально травились до поглощающего слоя при использовании фотолитографии. Для обеспечения фронтальных контактов на поверхности сформированных островков создавались индиевые полевые электроды различной площади. Для создания контакта к поглощающему слою выполнялась металлизация по периметру пленки HgCdTe. Фронтальная и боковые поверхности мезаструктуры пассивировались слоем оксида алюминия (Al2O3), который был создан при помощи метода плазменного атомно-слоевого нанесения [26, 27]. Площадь полевого электрода для каждой nBn-структуры определялась с использованием оригинальной микроскопической методики. Рис. 1. Зависимости компонентного состава CdTe (кр. 1 и 2) и концентрации донорной примеси индия (кр. 3 и 4) от координаты для структур № 2 (кр. 1 и 3) и № 3 (кр. 2 и 4) Измерения ВАХ nBn-структур проводились на автоматизированной установке на основе неоптического криостата Janis и измерителя иммитанса Agilent E4980A. Установка позволяла измерять ВАХ в диапазоне напряжений от -30 до +30 В при разных температурах в диапазоне 9-300 К. Экспериментальные результаты и их обсуждение На рис. 2 показаны ВАХ nBn-структур № 1 и 2, измеренные при температурах 10 и 300 К. Из рис. 2 видно, что зависимости почти симметричны относительно оси ординат (V = 0, где V - напряжение смещения). Охлаждение от 300 до 10 К приводит к небольшому уменьшению значений тока (менее чем в 10 раз). Значения плотности тока для структур № 1 и 2 достаточно велики и при температуре 300 К и напряжениях, близких к -1.5 В, превышают 1 А/см2. Увеличение состава в барьерном слое от 0.67 (№ 1) до 0.75 (№ 2) приводит к уменьшению плотности тока примерно в 3 раза. ВАХ nBn-структуры № 3 с наибольшим составом (x = 0.84) в барьерном слое почти симметричны при высоких температурах (120-300 К), но становятся резко асимметричными при дальнейшем снижении температуры (рис. 3). Ток при обратном смещении уменьшается при охлаждении в диапазоне температур от 120 до 10 К значительно быстрее, чем при прямом смещении. Кроме этого, возникает область напряжений, которым соответствуют крайне малые значения токов (менее 1 нА). Плотность тока при 300 К для структуры № 3 значительно меньше, чем для структур № 1 и 2. Ток через структуру с наибольшим составом в барьере при обратных смещениях довольно резко зависит от температуры. Рис. 2. ВАХ nBn-структур № 1 (кр. 1 и 2) и № 2 (кр. 3 и 4) при различных температурах, К: кр. 1, 3 - 10; кр. 2, 4 - 300 Рис. 3. ВАХ nBn-структуры № 3 при различных температурах, К: кр. 1 - 10; кр. 2 - 80; кр. 3 - 120; кр. 4 - 300 На рис. 4 показаны температурные зависимости плотности тока для nBn-структур № 2 и 3, измеренные при различных напряжениях смещения. Наиболее выраженная зависимость тока от напряжения наблюдается для структуры № 3 при отрицательных смещениях до -2 В при температурах, не превышающих 150 К. Освещение nBn-структур излучением с длиной волны 0.94 мкм приводит к изменениям вида ВАХ, которые хорошо заметны для структуры № 3 (рис. 5). При освещении структуры № 3 ВАХ становятся почти симметричными. Сравнение ВАХ в темноте и при освещении показали, что значения фототока при обратном смещении для структур № 1-3 оказываются близкими, но изменения ВАХ при освещении лучше заметны при меньших значениях темнового тока. Рис. 4. Температурные зависимости плотности тока для nBn-структур № 3 (кр. 1-4) и № 2 (кр. 5-7) при различных напряжениях, В: кр. 1 - 2.5; кр. 2, 6 - -0.5; кр. 3, 7 - -1.5; кр. 4 - -3; кр. 5 - 1.5 Рис. 5. ВАХ nBn-структур № 2 (кр. 1 и 2) и № 3 (кр. 3 и 4) при температуре 70 К в темновом режиме (кр. 1 и 3) и при освещении (кр. 2 и 4) Чувствительность nBn-детектора по току можно записать как , где Jфот - плотность сигнального фототока, а  - удельная мощность падающего излучения [21]. Шумы тока определяются вкладами шума Джонсона - Найквиста и дробового шума, который может быть связан с переносом темновых носителей или фотоносителей , где q - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; T - температура детектора; A - площадь полевого электрода; Rd - дифференциальное сопротивление при заданном обратном смещении; J - плотность темнового тока; Jопт - плотность тока, обусловленного фоновой и сигнальной оптической генерацией; f - полоса частот. Для nBn-структур при подаче смещения доминирующим электрическим шумом является дробовой шум, а при напряжении, близком к нулю, может доминировать тепловой шум [21]. Обнаружительная способность в единичной полосе частот [17] , где обычно выбирается максимальное значение чувствительности (на оптимальной длине волны). Таким образом, пороговые характеристики nBn-структур в значительной степени зависят от плотности темнового тока, поэтому установление механизмов формирования ВАХ является важной задачей. Суммарный темновой ток в диоде можно представить в виде [28] , где Iдиф - диффузионный ток; Iг-р - генерационно-рекомбинационный ток; Iт - полный туннельный ток, который состоит из двух компонент, связанных с межзонным туннелированием и туннелированием через ловушки [29]; IS - ток, связанный с поверхностью. В работах [19, 28] отмечается, что туннельным током в nBn-структурах на основе HgCdTe можно пренебречь при толщине барьерного слоя, превышающей 50 нм, что значительно меньше толщин барьерных слоев структур № 1-3 (120-300 нм). Кроме этого, величина туннельного тока должна сильно зависеть от приложенного смещения и параметров барьерных слоев (толщины и компонентного состава). По результатам измерения температурных зависимостей плотности тока для nBn-структуры № 3 при разных смещениях построены графики Аррениуса в области наиболее сильной зависимости тока от температуры. Экспериментальные данные (символы) достаточно хорошо аппроксимируются линейной зависимостью (рис. 6), причем энергия активации при изменении обратного смещения от -0.5 до -1.5 В уменьшается от 0.125 до 0.066 эВ. При напряжении смещения -0.1 В энергия активация составила 0.18 эВ. От площади полевого электрода энергия активации при заданном значении напряжения практически не зависит - при различии площадей в 4 раза энергии активации отличаются только на 10 %. Энергия активации при любых смещениях значительно меньше энергии ширины запрещенной зоны в поглощающем слое (0.322 эВ для № 3), поэтому можно исключить доминирование диффузионного тока [30]. Наиболее вероятно, что при небольших отрицательных смещениях в структуре № 3 доминирует генерационно-рекомбинационный ток (по механизму Шокли - Рида) в области пространственного заряда, расположенной в поглощающем слое [17]. Исследования ВАХ nBn-структур № 2 и 3 с различными площадями при температуре 300 К и смещении -2 В показали, что плотность тока возрастает при увеличении отношения P/A (рис. 7), где P - периметр полевого электрода структуры. Плотность общего тока через nBn-структуру можно записать в следующем виде [28, 31]: . Здесь JA - плотность тока утечки, пропорциональная площади прибора, A/см2; Jp - плотность тока поверхностной утечки на единицу длины периметра, A/см. Из этого выражения следует, что плотность общего тока линейно зависит от отношения P/A, если пренебречь паразитными токами. Для структур № 1, 2 и 3 найдены значения Jp, которые оказались равны примерно 1.110-1, 4.010-2 и 7.110-3 A/см соответственно. Из полученных результатов следует, что ток через nBn-структуры № 1-3 в значительной степени определяется утечкой по поверхности боковых стенок структуры. Рис. 6. Графики Аррениуса для nBn-структуры № 3 при различных напряжениях, В: кр. 1 - -0.5; кр. 2 - -1.5 Рис. 7. Зависимость плотности тока для nBn-структур № 1 (кр. 1), № 2 (кр. 2) и № 3 (кр. 3) от отношения P/A при температуре 297 К и напряжении -2 В Таким образом, наиболее вероятно, что суммарный ток в nBn-структурах № 1 и 2 определяется вкладом тока поверхностной утечки по боковым стенкам мезаструктуры, для образца № 3 при небольших обратных смещениях доминирует генерационно-рекомбинационный ток по механизму Шокли - Рида в обедненной области поглощающего слоя, а при увеличении обратного смещения начинает доминировать ток поверхностной утечки по боковым стенкам. Для выявления причин влияния состава в барьерном слое на плотность тока поверхностной утечки при изменении состава от 0.67-0.75 до 0.84 необходимы дополнительные исследования. Минимальное значение темнового тока в фотодиодах на основе МЛЭ HgCdTe часто оценивают при помощи эмпирической модели «Rule07» [32, 33]. Согласно этой модели, плотность тока равна [32] , где в случае длина волны равна граничной длине волны в поглощающем слое . В случае длина волны описывается выражением , где J0 = 8367.000019 А/см2; B = 0.544071282; C = -1.162972237; = 0.200847413 мкм; = 4.635136423 мкм. На рис. 8 линией показаны значения плотности темнового тока согласно «Rule07» (кр. 3). Значения плотности темнового тока для структуры № 3 при обратных смещениях -0.5 и -1.5 В значительно превышают значения, рассчитанные согласно «Rule07». Сравнение плотности тока для структуры № 3 с плотностями токов для аналогов на основе МЛЭ HgCdTe показало, что изготовленная структура имеет значительно меньшую плотность тока, чем nBn-структуры первой итерации авторов [20]. Для оптимизированной структуры второй итерации той же научной группы [21,22] плотность тока при температуре 77 К была немного меньше, чем для структуры № 3. Сопоставление со структурой с градиентом состава в барьерном слое, описанной в работе [23], проблематично, поскольку для этой структуры не наблюдалось насыщения темнового тока при обратном смещении и плотность тока при изменении напряжения от -0.5 до -1.5 В возрастала примерно от 10-6 до 4.5 А/см2. В исследованных nBn-структурах на основе МЛЭ HgCdTe значения темнового тока на несколько порядков величины превышают значения тока согласно «Rule07». Это подтверждает предположение о том, что темновой ток в структуре № 3 ограничен генерацией-рекомбинацией через глубокие центры, а не фундаментальными механизмами генерации-рекомбинации (излучательными или оже-процессами). Эмпирическая модель «Rule07», по мнению автора этой модели, описывает темновые характеристики качественных диодов, которые ограничены процессами Оже 1 [33]. Рис. 8. Сравнение плотностей темнового тока, рассчитанных согласно «Rule07» (кр. 3) и измеренных для nBn-структуры № 3 при напряжении -0.5 (кр. 1) и -1.5 В (кр. 2), а также для аналогов на основе МЛЭ HgCdTe первой (4) [20] и второй итерации (5) [21, 22] Выводы Таким образом, в широком диапазоне температур (9-300 К) экспериментально исследованы ВАХ nBn-структур на основе МЛЭ HgCdTe с различными параметрами барьерных слоев. Для структур с составом в барьерном слое (0.67-0.75) плотность тока при обратном смещении практически не зависит от температуры и превышает 0.1 А/см2. Изменение состава в барьере от 0.75 до 0.84 проявляется в возникновении диапазона обратных смещений, в котором плотность темнового тока принимает малые значения (менее 10-4 А/см2 при температуре 77 К). Плотность тока nBn-структуры заметно уменьшается при охлаждении, при температурах меньших 80 К и напряжении -5 В плотность тока не превышает 1 нА. Для измерения таких малых токов необходима специальная аппаратура, поэтому характеристики для структуры с составом в барьерном слое, равным 0.84, полностью измерены лишь при относительно высоких температурах. Освещение структур излучением с длиной волны 0.94 мкм приводит к возникновению фототока, величина которого близка для структур с разными параметрами барьерного слоя. Для структуры с составом в барьерном слое, равным 0.84, определены энергии активации, которые составили 66-180 мэВ при различных смещениях. Для структур с составами в барьере, равными 0.75 и 0.84, исследованы ВАХ при разных площадях полевых электродов. Установлено, что для этих образцов при достаточно больших обратных смещениях (-2 В) суммарный ток линейно зависит от отношения периметра электрода к его площади. Наиболее вероятно, что для структур с составами в барьерном слое, равными 0.67 и 0.75, основной вклад в полный ток вносит ток поверхностной утечки по боковым стенкам мезаструктуры. Для образца с наибольшим составом в барьерном слое (0.84) при малых обратных смещениях доминирует ток генерации-рекомбинации в обедненной области поглощающего слоя по механизму Шокли - Рида. При увеличении обратного смещения заметный вклад в полный ток начинает вносить ток поверхностной утечки. Значения плотности темнового тока для nBn-структуры с составом в барьере, равным 0.84, сопоставимы со значениями плотности тока для известных аналогов на основе МЛЭ HgCdTe, хотя на несколько порядков превышают значения плотности тока для лучших фотодиодов на основе этого материала.

Скачать электронную версию публикации