Темновые токи униполярных барьерных структур на основе теллурида кадмия и ртути для длинноволновых инфракрасных детекторов
Изготовлены два вида длинноволновых nBn -структур на основе теллурида кадмия и ртути, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках из GaAs(013). Для каждого вида приборов боковые стенки мезаструктур пассивировались диэлектрической пленкой Al2O3 или оставлялись без пассивации. Содержание CdTe в поглощающих слоях было равно 0.20 и 0.21, а в барьерных слоях - 0.61 и 0.63. Темновые токи изготовленных приборов исследованы в широком диапазоне смещений и температур. Найдены значения компоненты поверхностной утечки в различных условиях. Показано, что плотность тока поверхностной утечки уменьшается при пассивации пленкой Al2O3. Установлено, что при комнатной температуре в nBn -структурах при обратных смещениях доминирует компонента поверхностной утечки, а при прямых смещениях темновой ток определяется совместным влиянием компоненты поверхностной утечки и объемной компоненты тока. Из графиков Аррениуса найдены значения энергий активации компоненты тока поверхностной утечки, которые при небольших обратных смещениях находятся в диапазоне от 0.05 до 0.10 эВ. При небольших обратных смещениях при охлаждении образцов возрастает роль объемной компоненты темнового тока, которая при температуре 180 К составляет примерно 0.81 А/см2. В диапазоне температур 200-300 К значения плотности темнового тока превышают значения, рассчитанные согласно эмпирической модели Rule07, в 10-100 раз, что свидетельствует о возможности создания длинноволновых барьерных детекторов при снижении значений компоненты поверхностной утечки.
Dark currents of unipolar barrier structures based on mercury cadmium telluride for long-wave inred detectors.pdf Введение Фундаментальные свойства полупроводникового твердого раствора теллурида кадмия и ртути (HgCdTe, Hg1-xCdxTe) обеспечивают преимущество этого материала при создании высокочувствительных детекторов инфракрасного диапазона [1]. Ширина запрещенной зоны Hg1-xCdxTe зависит от компонентного состава x, что позволяет создавать на основе этого материала детекторы для различных спектральных областей, включая окна прозрачности земной атмосферы 3-5 (MWIR) и 8-12 мкм (LWIR). В настоящее время популярны матричные фотодиоды на основе HgCdTe, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), при изготовлении которых используют дефектообразующую процедуру ионной имплантации с последующим активационным отжигом [2, 3]. Возникновение радиационных дефектов ухудшает качество материала, что приводит к снижению выхода годных структур и увеличению стоимости приборов. Использование при создании фотоприемных устройств униполярных барьерных структур (например, в nBn-конфигурации [4]) позволяет отказаться от процедуры ионной имплантации, что обеспечивает значительные технологические преимущества. Концепция nBn-детекторов впервые была предложена в качестве способа подавления некоторых компонент темнового тока (тока поверхностной утечки и тока Шокли - Рида - Холла в обедненных областях) [4]. Наибольшие успехи в практической реализации униполярных барьерных детекторов достигнуты при использовании полупроводниковых соединений III-V [5-8], поскольку в таких приборах можно добиться отсутствия барьера для дырок в валентной зоне. Интерес к барьерным детекторам на основе соединений III-V также связан с возможностями повышения рабочей температуры в таких приборах, поскольку в стандартных приборах реализуется ограничение темнового тока процессами Шокли - Рида - Холла. Известно большое число теоретических работ, посвященных различным аспектам создания nBn-детекторов на основе HgCdTe [9-12], но попыток практической реализации таких приборов пока немного [13- 15]. Первые MWIR nBn-детекторы на основе МЛЭ HgCdTe имели большие темновые токи, которые определялись нефундаментальными механизмами [13-15]. Несколько большие успехи достигнуты при создании MWIR nBn-детекторов на основе HgCdTe, полученного путем осаждения металлорганических соединений из газовой фазы (MOCVD) [16, 17]. Следует отметить, что в приборах на основе MOCVD HgCdTe можно формировать высококачественные слои p-типа проводимости без использования ионной имплантации. Недавно было показано, что можно изготовить диффузионно-ограниченные nBn-структуры на основе HgCdTe, выращенного методом МЛЭ на подложках из GaAs(013) [18-20]. Первые LWIR nBn-структуры на основе МЛЭ HgCdTe, сформированные на подложках из CdZnTe [21], обладали большими темновыми токами - плотность темнового тока при температуре 77 К и напряжении -2 В превышала 50 А/см2. В данной работе представлены результаты исследования темновых токов в первых LWIR nBn-структурах на основе HgCdTe, выращенного методом МЛЭ на подложках из GaAs(013). Образцы и методики измерений Гетероэпитаксиальные пленки n-Hg1-xCdxTe выращивались методом МЛЭ на подложках из GaAs(013) в Институте физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск. На подложку из GaAs(013) наносились буферные слои из ZnTe (толщиной 50 нм) и CdTe (толщиной 5 мкм). Сверху буферных слоев формировались варизонные слои Hg1-xCdxTe, в которых состав изменялся от 0.61-0.67 до состава поглощающего слоя. В состав рабочей области пленки входили поглощающий, барьерный и контактный слои, сформированные из HgCdTe электронного типа проводимости. Донорная примесь индия вводилась в рабочие слои пленки в процессе эпитаксиального выращивания. Были изготовлены два вида nBn-структур, причем компонентный состав в поглощающем слое (x = 0.20 и 0.21) обеспечивал возможность межзонного поглощения LWIR-излу¬чения. Технологические параметры различных слоев в изготовленных nBn-структурах показаны в табл. 1, где x - содержание CdTe, Nd - концентрация донорной примеси индия, d - толщина слоя. Для образцов 1 и 2 концентрация донорной примеси индия в барьерном слое изменяется от значений концентрации, соответствующих поглощающему слою, до значений, соответствующих контактному слою (в таблице это отражено словом «переход»). Таблица 1 Технологические параметры выращенных эпитаксиальных гетероструктур Образец 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 0.21 3.81015 3.5 0.61 Переход 0.32 0.21 6.01016 1.00 2 0.20 4.01015 4.0 0.63 Переход 0.20 0.20 7.01016 0.95 Для изготовления контактной рамки в создаваемых приборных nBn-структурах проводилось травление контактного и барьерного слоев HgCdTe до поглощающего слоя в 0.5% растворе Br в HBr. Для физического разделения различных nBn-элементов путем влажного травления формировались мезаструктуры. Образцы 1 и 2 изготавливались в двух вариантах - с пассивацией боковых стенок мезаструктуры диэлектриком Al2O3, сформированным при температуре 120 °C путем плазменного атомно-слоевого осаждения (PE ALD) [22-24], а также без нанесения диэлектрического покрытия для пассивации боковых стенок мезаструктуры. Образцы с пассивацией диэлектрическими пленками Al2O3 далее имеют обозначения 1-1 и 2-1, а образцы без защиты боковых стенок - 1-2 и 2-2. Схемы nBn-структур с пассивацией боковых стенок мезаструктуры и без такой пассивации показаны на рис. 1, а и б соответственно. Травление пленок PE ALD Al2O3 перед формированием контактной рамки и фронтальных электродов проводилось с использованием смеси плавиковой кислоты и фтористого аммония. Индиевые электроды формировались путем термического напыления при температурах, не превышающих 100 С. Для каждого типа приборных структур создавалась матрица nBn-элементов с различными размерами - диаметр мезаструктур изменялся от 20 до 500 мкм. Исследования темновых токов изготовленных приборных nBn-структур проводились с использованием автоматизированной установки для измерения иммитанса наногетероструктур, основными элементами которой являлись измеритель иммитанса Agilent E4980A, неоптический криостат Janis и контроллер температуры Lake Shore. Измерения темновых токов проводились в диапазоне температур от 10 до 300 К. Рис. 1. Схематическое изображение расположения слоев в nBn-структуре на основе МЛЭ HgCdTe с пассивацией боковых стенок мезаструктуры (а) и без пассивации (б) Экспериментальные результаты и их обсуждение Рис. 2. ВАХ nBn-структуры с пассивацией (образец 1-1) при различных температурах, К: кр. 1 - 10; кр. 2 - 77; кр. 3 - 150; кр. 4 - 220; кр. 5 - 300 Рис. 3. Температурные зависимости плотности темнового тока nBn-структуры с пассивацией (образец 1-1) при различных напряжениях смещения, В: кр. 1 - 0.2; кр. 2 - -0.1; кр. 3 - -0.2 На рис. 2 показаны вольт-амперные характеристики (ВАХ) nBn-структуры с пассивацией боковых стенок мезаструктуры (образец 1-1), измеренные при различных температурах. Видно, что при температурах 10-220 К темновые токи при обратном смещении превышают темновые токи при прямом смещении. Это свидетельствует о том, что барьерный слой частично блокирует поток электронов. Темновые токи возрастают при увеличении обратного смещения (аналогично [15]), что свидетельствует о полевой зависимости доминирующих компонент темнового тока. При небольших обратных смещениях (например, при -0.2 В) и температуре 77 К плотность темнового тока составляет около 0.1 А/см2, что намного меньше значений этой величины для ранее созданного аналога [21]. Кроме этого, из рис. 2 видно, что значения плотности темнового тока уменьшаются при охлаждении структур. На рис. 3 показаны температурные зависимости плотности темнового тока, измеренные при различных смещениях на nBn-структуре (образец 1-1). Видно, что при охлаждении значения плотности темнового тока уменьшаются более чем в 100 раз, причем наибольшие изменения плотности тока при снижении температуры наблюдаются при малых обратных смещениях (например, при смещении -0.1 В). Для остальных образцов ВАХ и температурные зависимости плотности тока качественно сходны с приведенными результатами для образца 1-1. Для определения доминирующего механизма темнового тока в различных условиях проводились измерения ВАХ для nBn-структур с различными размерами мезаструктур. Плотность полного темнового тока через nBn-структуру можно записать в следующем виде [21, 25-27]: , где JA - плотность тока, пропорциональная площади прибора, - плотность объемной компоненты темнового тока, A/см2; JP - плотность тока поверхностной утечки на единицу длины периметра, A/см; P - периметр мезаструктуры; A - площадь мезаструктуры. Из приведенного выражения видно, что плотность общего тока линейно зависит от отношения P/A. По наклону зависимости плотности темнового тока от отношения P/A можно найти значение плотности тока поверхностной утечки, а по пересечению зависимости с вертикальной осью - плотность объемной компоненты темнового тока. На рис. 4, а и б показаны зависимости плотности темнового тока от отношения P/A для образцов 1-1 и 1-2, а также для образцов 2-1 и 2-2 соответственно, измеренные при температуре 300 К при обратном смещении 0.3 В. Видно, что при пассивации боковых стенок мезаструктур диэлектрической пленкой PE ALD Al2O3 наклон зависимостей менее крутой, чем для образцов без пассивации боковых стенок, что свидетельствует об уменьшении плотности тока компоненты поверхностной утечки при защите боковых стенок диэлектрическими пленками Al2O3. Определенные значения плотности тока поверхностной утечки для структур 1-1 и 1-2 составили 0.24 и 0.42 А/см, а для образцов 2-1 и 2-2 - 0.24 и 0.43 А/см соответственно. Из рис. 4 видно, что при уменьшении размеров nBn-элемента (при росте отношения P/A) наблюдается увеличение наклона зависимости плотности тока от P/A, что связанно с возрастанием плотности тока поверхностной утечки для малых структур. Из-за этого плотности объемной компоненты тока, которые определяются по пересечению графика с вертикальной осью, принимают отрицательные значения. Можно отметить, что при температуре 300 К и обратном смещении 0.3 В для изготовленных LWIR nBn-структур доминирует компонента тока поверхностной утечки. Рис. 4. Зависимости плотности темнового тока от отношения P/A для nBn-структуры образцов 1 (а) и 2 (б) с пассивацией боковых стенок (образцы 1-1 и 2-1) (кр. 1) и без пассивации боковых стенок (образцы 1-2 и 2-2) (кр. 2), измеренные при температуре 300 К и обратном смещении 0.3 В Рис. 5. Графики Аррениуса для nBn-струк¬туры № 1 с пассивацией (образец 1-1) при различных напряжениях смещения, В: кр. 1 - -0.1; кр. 2 - -0.2; кр. 3 - 0.2 На рис. 5 показаны графики Аррениуса, построенные из температурных зависимостей плотности темнового тока для образца 1-1 с диаметром мезаструктуры 500 мкм, измеренных при различных смещениях. Видно, что в координатах графиков Аррениуса температурные зависимости плотности темнового тока хорошо спрямляются. Энергии активации при смещениях 0.2, -0.1 и -0.2 В оказались равными 0.275, 0.134 и 0.075 эВ соответственно. Также построены графики Аррениуса для плотности тока поверхностной утечки, найденной из измерений ВАХ nBn-структур различного размера при разных температурах. При обратных смещениях -0.1, -0.2, -0.3 В энергии активации компоненты тока поверхностной утечки оказались равными 0.099, 0.082, 0.054 эВ соответственно. Из-за доминирования компоненты тока поверхностной утечки точно определить значения объемной компоненты тока при температуре 300 К при обратном смещении не представляется возможным (аналогичный случай для nBn-структур на основе InAs рассмотрен в [28]). Следует заметить, что для изготовленных LWIR nBn-структур при обратном смещении получены довольно большие значения энергии активации компоненты тока поверхностной утечки. Например, в работе [29] энергия активации компоненты поверхностной утечки для nBn-структур на основе InAs составляла 0.006 эВ, а для nBn-структур на основе GaSb - 0.075 эВ. Отмечено, что значения энергии активации в диапазоне 70-90 мэВ могут определяться расстоянием между краем валентной зоны и энергетическим положением уровня Ферми на боковых стенках мезаструктуры [29]. При прямых смещениях заметную роль играет объемная компонента темнового тока. Так, при прямом смещении 0.6 В и температуре 295 К плотность тока поверхностной утечки для образца 1-1 равна 0.0459 А/см, а плотность тока объемной компоненты темнового тока равна 3.037 А/см2. Энергия активации поверхностной компоненты темнового тока при прямом смещении 0.6 В оказалась равной 0.34 эВ, а объемной компоненты темнового тока - 0.136 эВ, что близко к ширине запрещенной зоны поглощающего слоя (0.153 эВ при x = 0.21 и 250 К). Для остальных образцов получены близкие значения энергии активации при соответствующих смещениях. Рис. 6. Сравнение с эмпирической моделью Rule07 (кр. 1) температурных зависимостей темнового тока nBn-структуры № 1 с пассивацией (образец 1-1) при различных напряжениях смещения, В: кр. 2 - -0.1; кр. 3 - -0.2 При охлаждении образцов для небольших обратных смещений возрастает роль объемной компоненты темнового тока. Так, при обратном смещении -0.3 В при температуре 180 К плотность объемной компоненты темнового тока составляет около 0.81 А/см2, а при температуре 90 К - 0.36 А/см2. Такое поведение температурной зависимости темнового тока является нетипичным, поскольку доминирование объемного тока обычно происходит при более высоких температурах, а доминирование поверхностной компоненты темнового тока - при более низких температурах. На рис. 6 для образца 1-1 проведено сравнение экспериментальных температурных зависимостей плотности темнового тока, измеренных при разных температурах, с эмпирической моделью Rule07 [30]. Видно, что наклон экспериментальных температурных зависимостей более пологий, чем для расчетной кривой, построенной по модели Rule07. Это связано с различием механизмов ограничения темнового тока (экспериментальные образцы ограничены поверхностной утечкой). Экспериментальные значения плотности тока превышают расчетные значения в 10-100 раз. Можно сделать вывод, что при решении проблемы пассивации боковых стенок мезаструктуры в nBn-системах на основе МЛЭ HgCdTe могут использоваться для создания эффективных LWIR-детекторов. Выводы Таким образом, в широком диапазоне температур и смещений изучены темновые токи в LWIR nBn-структурах, изготовленных на основе МЛЭ HgCdTe. Состав в поглощающем слое находился в диапазоне 0.20-0.21, в барьерном слое - 0.61-0.63. Установлено, что при обратных смещениях плотность темнового тока ограничена компонентой поверхностной утечки, а при прямых смещениях - совместным влиянием компоненты поверхностной утечки и объемной компоненты темнового тока. При охлаждении образцов от 300 до 100 К плотность темнового тока уменьшается более чем в 100 раз (от 3 до 10-2 А/см2 при обратном смещении -0.1 В). Показано, что пассивация боковых стенок мезаструктуры диэлектрической пленкой Al2O3 приводит к уменьшению значений плотности поверхностной утечки почти в 2 раза (от 0.43 до 0.24 А/см). Из графиков Аррениуса найдены значения энергий активации темновых токов в различных условиях. При небольших обратных смещениях (-0.1 -0.3) в диапазоне температур 250- 300 К значения энергии активации компоненты поверхностной утечки находятся в пределах от 0.054 до 0.100 эВ. Полученные значения энергий активации плотности тока поверхностной утечки не противоречат известным литературным данным, но для полного выяснения механизмов различных компонент темнового тока в nBn-структурах на основе МЛЭ HgCdTe необходимо проведение дополнительных исследований. Изготовленные LWIR nBn-структуры в диапазоне температур 160-300 К имеют значения плотности темнового тока, которые в 10-100 раз превышают значения, рассчитанные согласно эмпирической модели Rule07. При малых обратных смещениях плотности темновых токов в изготовленных LWIR nBn-структурах при температуре 77 К значительно меньше значений, измеренных в ранее известных аналогах. Для создания эффективных LWIR nBn-детекторов на основе МЛЭ HgCdTe необходимо дальнейшее снижение компоненты тока поверхностной утечки, что требует проведения дальнейших детальных исследований механизмов токопереноса при различных условиях и оптимизации пассивирующих покрытий.
Ключевые слова
HgCdTe,
молекулярно-лучевая эпитаксия,
длинноволновой инфракрасный детектор,
nBn-структура,
темновой ток,
поверхностная утечка,
пассивацияАвторы
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. НИ ТГУ | 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.
Mollard L., Destefanis G., Bourgeois G., et al. // J. Electron. Mater. - 2011. - V. 40. - P. 1830- 1839.
Izhnin I.I., Mynbaev K.D., Voitsekhovsky A.V., et al. // Infrared Phys. Technol. - 2019. - V. 98. - P. 230-235.
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., Rafol S.B., et al. // Appl. Phys. Lett. - 2019. - V. 114. - P. 161103.
Plis E., Myers S.A., Ramirez D.A., et al. // Proc. SPIE. - 2016. - V. 9819. - P. 981911.
Evirgen A., Abautret J., Perez J.P., et al. // Electron. Lett. - 2014. - V. 50. - P. 1472-1473.
Akhavan N.D., Umana-Membreno G.A., Gu R., et al. // IEEE Trans. Electron Dev. - 2018. - V. 65. - No. 10. - P. 4340-4345.
Kopytko M. // Infrared Phys. Technol. - 2014. - V. 64. - P. 47-55.
Uzgur F. and Kocaman S. // Infrared Phys. Technol. - 2019. - V. 97. - P. 123-128.
He J., Wang P., Li Q., et al. // IEEE Trans. Electron Dev. - 2020. - V. 67. - No. 5. - P. 2001-2007.
Itsuno A.M., Phillips J.D., 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. and Rogalski A. // Prog. Quant. Electron. - 2016. - V. 47. - P. 1-18.
Kopytko M., Jóźwikowski K., Martyniuk P., et al. // J. Electron. Mater. - 2016. - V. 45. - No. 9. - P. 4563-4573.
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. - 2019. - V. 53. - P. 055107.
Войцеховский А.В., Несмелов С.Н., Дзядух С.М. и др. // Прикладная физика. - 2020. - № 1. - С. 25-31.
Istuno A.M. Bandgap-engineered HgCdTe infrared detector structures for reduced cooling requirements: Ph.D. diss. - University of Michigan, 2012. - 175 p.
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.
Zakirov E.R., Kesler V.G., Sidorov G.Y., et al. // Semicond. Sci. Technol. - 2020. - V. 35. - No. 2. - P. 025019.
Handbook of Infrared Detection Technologies / eds. M. Henini and M. Razeghi. - Oxford: Elsevier Advanced Technology, 2002. - 532 p.
Michalczewski K., Ivaldi F., Kubiszyn Ł., et al. // Acta Phys. Pol. A. - 2018. - V. 132. - No. 2. - P. 981-984.
Kopytko M., Gomółka E., Michalczewski K., et al. // Semicond. Sci. Technol. - 2018. - V. 33. - No. 12. - P. 125010.
Du X., Marozas B.T., Savich G.R., et al. // J. Appl. Phys. - 2018. - V. 123. - No. 21. - P. 214504.
Sidor D.E., Savich G.R., and Wicks G.W. // J. Electron. Mater. - 2016. - V. 45. - No. 9. - P. 4663- 4667.
Tennant W.E., Lee D., Zandian M., et al. // J. Electron. Mater. - 2008. - V. 37. - No. 9. - P. 1406- 1410.