Адмиттанс барьерных структур на основе теллурида кадмия - ртути
Представлены результаты исследований адмиттанса униполярных барьерных структур на основе HgCdTe, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на подложках из GaAs (013). С использованием пассивации диэлектриком Al2O3 изготовлены приборные nBn -структуры на основе HgCdTe, причем параметры слоев в созданных структурах обеспечивали возможность детектирования в спектральном диапазоне 3-5 мкм. На основании анализа частотных зависимостей адмиттанса предложена эквивалентная схема nBn -структур при малых смещениях. Определены зависимости параметров эквивалентной схемы от площади мезаструктуры и от температуры. Изучены свойства высокотемпературных максимумов на полевых зависимостях емкости и проводимости nBn -структур, которые предположительно связаны с перезарядкой поверхностных состояний на гетерогранице между барьерным и поглощающим слоями. Установлено, что в широком диапазоне частот и температур вольт-фарадные характеристики nBn -структур на основе HgCdTe при обратных смещениях могут использоваться для определения концентрации донорной примеси в поглощающем слое. Показано, что адмиттанс тестовых МДП-приборов в мезаконфигурации, сформированных на основе nBn -структур из МЛЭ HgCdTe, определяется совместным влиянием электронных процессов в контактном, барьерном и поглощающем слоях.
Admittance of barrier structures based on mercury cadmium telluride.pdf Введение Фундаментальные свойства полупроводникового твердого раствора теллурида кадмия-ртути (HgCdTe, Hg1-xCdxTe) хорошо подходят для создания на основе этого материала высокочувствительных инфракрасных детекторов для спектральных областей 3-5 и 8-12 мкм (MWIR и LWIR соответственно) [1, 2]. Дальнейший прогресс инфракрасных детекторов на основе HgCdTe сдерживается качеством материала и необходимостью значительного охлаждения детекторов для подавления термических компонент темнового тока. Пленки HgCdTe приборного качества в настоящее время получают при помощи молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), а также путем химического осаждения из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (MOCVD). Одной из технологических проблем, возникающих при создании матриц фотодиодов на основе МЛЭ HgCdTe, является дефектообразование при формировании p-n-переходов посредством ионной имплантации и сопутствующих отжигов [3, 4]. Возможности для исключения процедуры ионной имплантации из технологического цикла создания фоточувствительных элементов на основе МЛЭ HgCdTe предоставляют разработки униполярных барьерных детекторов, в которых все слои имеют электронный тип проводимости. В качестве таких детекторов могут использоваться nBn-структуры, в которых относительно узкозонные слои материала электронного типа проводимости (контактный и поглощающий слои) разделены широкозонным барьером электронного типа проводимости. Такие структуры, концепция которых впервые была предложена в 1983 году [5], могут рассматриваться в качестве фоторезисторов с высоким импедансом [1]. Оптимальные характеристики nBn-детекторов могут быть реализованы при малом (близком к нулю) значении высоты барьера в валентной зоне, что трудно реализовать при использовании стандартных материалов для инфракрасного детектирования, таких как InSb и HgCdTe. Ситуация кардинально изменилась в середине первого десятилетия XXI века в связи с изучением свойств семейства материалов группы (III-V) c постоянной решетки 6.1 Å и созданием первых барьерных детекторов на основе этих материалов [6, 7]. В настоящее время на основе InAs и InAsSb активно разрабатываются барьерные детекторы в nBn-конфигурации [8-11]. Теоретическому анализу характеристик nBn-детекторов на основе HgCdTe посвящено значительное количество работ (например, [12-17]), но известно ограниченное число попыток практической реализации таких детекторов [18-22]. Характеристики ранее созданных nBn-детекторов на основе МЛЭ HgCdTe далеки от идеальных [18-20]. Несколько большие успехи достигнуты при создании nBn-детекторов на основе MOCVD HgCdTe [21, 22], но проблема дефектообразования при имплантации не актуальна при использовании этого материала. Технология MOCVD позволяет получать качественные слои p-типа проводимости и использовать такие слои для создания барьера в nBn-структурах. Недавно сообщалось о создании MWIR nBn-структур на основе МЛЭ HgCdTe, в которых наблюдался диффузионно-ограниченный темновой ток при температурах от 180 до 300 К [23, 24]. Дальнейшие исследования процессов в nBn-структурах на основе МЛЭ HgCdTe открывают возможности реализации потенциальных достоинств технологии МЛЭ при создании барьерных детекторов. Стандартным подходом при изучении свойств изготовленных nBn-детекторов является измерение вольт-амперных характеристик при разных температурах, которое часто позволяет установить доминирующие механизмы темнового тока. Для получения более детальной информации о процессах в реальных структурах необходимо использовать различные экспериментальные методы. Метод адмиттанса весьма информативен, что подтверждается его широким использованием при исследованиях полупроводниковых структур [25-28]. Однако известно только несколько работ, посвященных использованию метода адмиттанса при изучении свойств nBn-структур на основе материалов группы III-V [10, 29, 30]. Предварительные результаты исследования адмиттанса nBn-структур на основе МЛЭ HgCdTe представлены в работах [31, 32]. Также ранее описаны первые исследования адмиттанса «планарных» МДП-приборов на основе nBn-структур из МЛЭ HgCdTe, в которых обратный электрод наносился на контактный слой [33]. Проведенные исследования показали, что зависимости адмиттанса очень чувствительны к особенностям реальных nBn-структур, поэтому технология формирования таких структур существенно влияет на результаты измерений. В данной работе обобщаются некоторые результаты исследований адмиттанса униполярных барьерных структур на основе МЛЭ HgCdTe. В широком диапазоне частот и температур изучаются электрофизические характеристики MWIR nBn-структур на основе МЛЭ HgCdTe, в которых темновой ток ограничен диффузионными процессами. Приведены первые результаты исследований адмиттанса тестовых МДП-приборов на основе nBn-структур из МЛЭ HgCdTe, сформированных при нанесении обратного контакта на поглощающий слой. Образцы и методики измерений Пленки n-Hg1-xCdxTe для создания nBn-структур выращивались в Институте физики полупроводников СО РАН методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Скорость выращивания пленок составляла 1.68 мкм/ч. Сверху подложки из GaAs (013) последовательно выращивались следующие слои: буферные из ZnTe и CdTe, варизонный слой Hg1-xCdxTe с изменением состава от 0.78 до 0.35. Затем из n-Hg1-xCdxTe формировались поглощающий, барьерный и контактный слои. Компонентный состав поглощающего слоя обеспечивал возможность межзонной фотогенерации в MWIR-диапазоне. Схематическое изображение изготовленных nBn-структур показано на рис. 1, а, на котором также приведены основные параметры слоев. В процессе выращивания рабочая область легировалась примесью индия. Концентрации донорной примеси в поглощающем и барьерном слоях были выбраны равными. На основе выращенной многослойной пленки изготавливались приборные nBn-структуры. Для дальнейшего нанесения контактной рамки проводилось травление HgCdTe в 0.5 % растворе Br в HBr до поглощающего слоя. Мезаструктуры, необходимые для физического разделения отдельных элементов (nBn-структур), также формировались путем травления с использованием фотолитографии. В качестве пассивирующего покрытия использовались пленки Al2O3, нанесенные при температуре 120 °C методом плазменного атомно-слоевого осаждения (PE ALD) [34, 35]. Диэлектрические пленки PE ALD Al2O3 травились при использовании смеси плавиковой кислоты и фтористого аммония в области формирования контактной рамки, а также в местах дальнейшего нанесения фронтальных электродов на контактный слой. Индиевые электроды создавались при помощи термического напыления при достаточно низких температурах (260 К) при напряжениях около -0.7 В наблюдается максимум на ВФХ, амплитуда которого возрастает при уменьшении частоты. Дифференциальная проводимость nBn-структуры максимальна при положительных напряжениях, когда максимален ток через структуру. На рис. 4 символами показаны экспериментальные частотные зависимости емкости Cs и сопротивления Rs nBn-структуры, измеренные при температуре 300 К и напряжении 0.3 В. Для расчета частотных зависимостей использовалась эквивалентная схема, показанная на вставке рис. 4. В этой схеме элементы R1 и C1 характеризуют свойства барьерного слоя, а сопротивление R2 - свойства объема поглощающего слоя. Используя выражения (1) для значений Rs и Cs, можем записать , . (3) Из выражений (3) следует, что значения емкости Cs не зависят от R2. При выполнении условия выполняются равенства , . Из рис. 4 видно, что экспериментальные частотные зависимости адмиттанса nBn-структуры хорошо согласуются с результатами расчета при R1 = 373.5 кОм, C1 = 3.054 пФ, R2 = 3870 Ом. Без учета сопротивления поглощающего слоя наблюдаются заметные различия экспериментальной и расчетной зависимостей сопротивления Rs на высоких частотах (кривая 5 на рис. 4). Рис. 3. ВФХ nBn-структуры, измеренные на частоте 50 кГц при различных температурах, К: кр. 1 - 255; кр. 2 - 275; кр. 3 - 290; кр. 4 - 310 Рис. 4. Экспериментальные (кр. 1, 2, символы) и расчетные (кр. 3, 4, линии) зависимости емкости Cs (кр. 1, 3) и сопротивления Rs (кр. 2, 4) nBn-струк¬туры от частоты f при температуре 300 К и напряжении 0.3 В, а также расчетная зависимость сопротивления (кр. 5, линия) от частоты при R2 = 0. На вставке - эквивалентная схема nBn-структуры при напряжениях, близких к нулю Зависимости элементов эквивалентной схемы nBn-структур от площади мезаструктур и температуры На рис. 5 показаны зависимости значений элементов схемы от площади мезаструктуры (A) в логарифмических координатах, найденные из частотных зависимостей адмиттанса, измеренных при температуре 300 К и напряжении 0.3 В. Значения емкости барьерного слоя С1 линейно возрастают при увеличении площади структуры, а значения сопротивления барьерного слоя R1 обратно пропорциональны площади структуры. Значения сопротивления поглощающего слоя R2 не демонстрируют явной зависимости от площади структуры. На рис. 6 приведены температурные зависимости значений сопротивлений R1 и R2, измеренные для структуры с диаметром 100 мкм при напряжении 0.3 В. Видно, что сопротивление барьера R1 при охлаждении резко возрастает и значения этого сопротивления проблематично определить при низких температурах (
Ключевые слова
HgCdTe,
молекулярно-лучевая эпитаксия,
nBn-структура,
барьерные детекторы,
адмиттанс,
вольт-фарадная характеристика,
метод эквивалентных схем,
концентрация примеси,
HgCdTe,
molecular beam epitaxy,
nBn structure,
barrier detectors,
admittance,
capacitance-voltage characteristic,
equivalent circuit method,
dopant concentrationАвторы
Войцеховский Александр Васильевич | Национальный исследовательский Томский государственный университет | д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой НИ ТГУ, зав. лабораторией СФТИ ТГУ | vav43@mail.tsu.ru |
Несмелов Сергей Николаевич | Национальный исследовательский Томский государственный университет | к.ф.-м.н., ст. науч. cотр. НИ ТГУ | nesm69@mail.ru |
Дзядух Станислав Михайлович | Национальный исследовательский Томский государственный университет | к.ф.-м.н., ст. науч. cотр. НИ ТГУ | bonespirit@mail2000.ru |
Дворецкий Сергей Алексеевич | Национальный исследовательский Томский государственный университет; Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН | к.ф.-м.н., ст. науч. cотр. НИ ТГУ | dvor@isp.nsc.ru |
Михайлов Николай Николаевич | Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН | к.ф.-м.н., ст. науч. cотр. ИФП СО РАН | mikhailov@isp.nsc.ru |
Сидоров Георгий Юрьевич | Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН | к.ф.-м.н., зав. лабораторией ИФП СО РАН | george@isp.nsc.ru |
Якушев Максим Витальевич | Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН | д.ф.-м.н., зам. директора ИФП СО РАН | yakushev@isp.nsc.ru |
Всего: 7
Ссылки
Rogalski A. Infrared and Terahertz detectors. - 3rd. ed. - Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2019. - 1044 p.
Kinch M.A. State-of-the-Art Infrared Detector Technology. - Bellingham, Washngton: SPIE Press, 2014. - 262 p.
Lobre C., Jouneau P. H., Mollard L., et al. // J. Electron. Mater. - 2014. - V. 43. - P. 2908-2914.
Izhnin I.I., Mynbaev K.D., Voitsekhovsky A.V., et al. // Infrared Phys. Technol. - 2019. - V. 98. - P. 230-235.
White A.M. Infra red detectors // Патент 4679063 США, 1983.
Klipstein P. Depletion-less photodiode with suppressed dark current and method for producing the same // Патент 7795640 США, 2003.
Maimon S. and Wicks G.W. // Appl. Phys. Lett. - 2006. - V. 89. - No. 15. - P. 151109.
Ting D.Z., Soibel A., Khoshakhlagh A., et al. // Appl. Phys. Lett. - 2018. - V. 113. - P. 021101.
Soibel A., Ting D.Z., Hill C.J., et al. // Appl. Phys. Lett. - 2016. - V. 109. - P. 103505.
Evirgen A., Abautret J., Perez J.P., et al. // Electron. Lett. - 2014. - V. 50. - P. 1472-73.
Soibel A., Ting D.Z., Rafol S.B., et al. // Appl. Phys. Lett. - 2019. - V. 114. - P. 161103.
Akhavan N.D., Umana-Membreno G.A., Gu R., et al. // IEEE Trans. Electron Dev. - 2016. - V. 63. - No. 12. - P. 4811-4818.
Kopytko M., Wróbel J., Jóźwikowski K., et al. // J. Electron. Mater. - 2015. - V. 44. - No. 1. - P. 158-166.
Uzgur F. and Kocaman S. // Infrared Phys. Technol. - 2019. - V. 97. - P. 123-128.
Ye Z.H., Chen Y.Y., Zhang P., et al. // Proc. SPIE. - 2014. - V. 9070. - P. 90701L.
Itsuno A.M., Phillips J.D., and Velicu S. // J. Electron. Mater. - 2011. - V. 40. - No. 8. - P. 1624-1629.
Martyniuk P., Kopytko M., and Rogalski A. // Opto-Electron. Rev. - 2014. - V. 22. - No. 2. - P. 127-146.
Itsuno A.M., Phillips J.D., and Velicu S. // Appl. Phys. Lett. - 2012. - V. 100. - No. 16. - P. 161102.
Velicu S., Zhao J., Morley M., et al. // Proc. SPIE. - 2012. - V. 8268. - P. 826282X.
Gravrand O., Boulard F., Ferron A., et al. // J. Electron. Mater. - 2015. - V. 44. - No. 9. - P. 3069- 3075.
Kopytko M., Kębłowski A., Gawron W., et al. // IEEE Trans. Electron Dev. - 2014. - V. 61. - No. 11. - P. 3803-3807.
Kopytko M. and Rogalski A. // Prog. Quant. Electron. - 2016. - V. 47. - P. 1-18.
Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N., Dzyadukh S.M., et al. // Infrared Phys. Technol. - 2019. - V. 102. - P. 103035.
Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N., Dzyadukh S.M., et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2020. - V. 53. - No. 5. - P. 055107.
Nicollian E.H. and Brews J.R. MOS (metal oxide semiconductor) physics and technology. - N.Y. et al.: Wiley, 1982. - 906 p.
Sze S.M. and Ng Kwok K. Physics of Semiconductor Devices. - 3rd ed. - N.Y.: Wiley, 2007. - 832 p.
Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N., and Dzyadukh S.M. // J. Phys. Chem. Sol. - 2017. - V. 102. - P. 42-48.
Hirwa H., Pittner S., and Wagner V. // Org. Electron. - 2015. - V. 24. - P. 303-314.
Rhiger D.R., Smith E.P., Kolasa B.P., et al. // J. Electron. Mater. - 2016. - V. 45. - No. 9. - P. 4646-4653.
Glasmann A., Prigozhin I., and Bellotti E. // IEEE J. Electron Dev. Soc. - 2019. - V. 7. - P. 534- 543.
Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N., Dzyadukh S.M., et al. // Mater. Res. Expr. - 2019. - V. 6. - No. 11. - P. 116411.
Войцеховский А.В., Несмелов С.Н., Дзядух С.М. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2019. - Т. 62. - № 5. - С. 77-85.
Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N., Dzyadukh S.M., et al. // J. Comm. Technol. Electron. - 2019. - V. 64. - No. 3. - P. 289-293.
Fu R. and Pattison J. // Opt. Eng. - 2012. - V. 51. - No. 10. - P. 104003.
Zakirov E.R., Kesler V.G., Sidorov G.Y., et al. // Semicond. Sci. Technol. - 2019. - V. 34. - No. 6. - P. 065007.
Ershov M., Liu H.C., Li L., et al. // IEEE Trans. Electron. Dev. - 1998. - V. 45. - No. 10. - P. 2196- 2206.
Jones B.K., Santana J., McPherson M., et al. // Sol. State Commun. - 1998. - V. 107. - No. 2. - P. 47-50.
Penin N.A. // Semiconductors. - 1996. - V. 30. - No. 4. - P. 340-343.
Войцеховский А.В., Несмелов С.Н., Дзядух С.М. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 4. - С. 102-109.
Войцеховский А.В., Несмелов С.Н., Дзядух С.М. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 5. - С. 62-69.
Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N., Dzyadukh S.M., et al. // Infrared Phys. Technol. - 2015. - V. 71. - P. 236-241.
Van Gelder W. and Nicollian E.H. // J. Electrochem. Soc. - 1971. - V. 118. - P. 138-141.