Спосіб виготовлення фотодіодів на основі cdx hg1-xte

Спосіб виготовлення фотодюдів на основі монокристалічних вакансійно-легованих пластин CdxHgi xTe р-типу провідності, в яких концентрацію дірок задають відпалом в парі ртуті, а формування n-областей фотодюдів здійснюють за одним з методів іонної імплантації, іонно-променевого травлення, термічного відпалу або опромінення швид Винахід відноситься до оптоелектроніки, точніше до технології виготовлення фотодюдів ІЧ випромінювання діапазону 8 - 12мкм на основі твердих розчинів CdxHgi xTe Відомий спосіб виготовлення фотодюдів на основі монокристалічних пластин CdxHgi xTe ртипу провідності ВІДПОВІДНОГО складу, в яких концентрація дірок визначається концентрацією вакансій ртуті, яка в свою чергу задається післяростовим відпалом Формування локальних областей птипу провідності здійснюється одним з методів іонною імплантацією, іонно-променевим травленням, термічним відпалом або опроміненням швидкими електронами (Infrared photon detectors, ed by A Rogalski, SPIE Optical Engineering Press, Bellmgham, 1995) Параметри таких ДІОДІВ Є НИЗЬКИМИ внаслідок того, що вихідний матеріал характеризується низькою структурною досконалістю Найбільш близьким технічним рішенням до пропонованого винаходу є спосіб виготовлення фотодюдів на основі вакансійно-легованих монокристалічних пластин CdxHgi xTe р-типу провідності, в яких концентрація дірок задається одностадійним термічним відпалом пластин в парі ртуті, а формування областей n-типу провідності здійснюється за допомогою іонно-променевого травлення кими електронами, який відрізняється тим, що при вирощуванні монокристалу вводять домішки Se або Zn в КІЛЬКОСТІ 0,1-1 мол %, відпал пластин проводять в три етапи спочатку при температурі 505±5 °С та тиску пари ртуті 2,5 - 3 ат протягом 224 г, потім при температурі 380-400 °С та тиску пари ртуті 1,1 -1,5 ат протягом 24-72 г, і потім при температурі 350-395 °С та тиску пари ртуті від р-\ = 2-10 1 4 ехр[-1,89/к 0 Т] ат до р2=2рі, але не вище рз =5,6-10 4 ехр[-0,61/к 0 Т] ат протягом 1-24 г, де ко - стала Больцмана, еВ/К Т - абсолютна температура, К іонами Аг (Wotherspoon J Т М , Патент США №4 411 732 від 25 10 1983, МКП H01L21/306) Недоліком цього способу є те, що ВИХІДНІ пластини CdxHgi xTe р-типу провідності містять значну КІЛЬКІСТЬ структурних дефектів - розеток дислокацій, малокутових границь (МКГ), включень металічної ртуті, які вносять додатковий вклад в величину зворотного темнового струму і визначають низьке значення добутку R0*A (добуток опору при нульовому зміщенні на площу діода) і таким чином обмежують величину питомої здатності до виявлення В основу винаходу поставлено завдання вдосконалити спосіб виготовлення фотодюдів на основі монокристалічних вакансійно-легованих пластин Cd x Hgi x Te р-типу провідності шляхом зниження КІЛЬКОСТІ структурних дефектів в пластинах, що дало б можливість зменшити силу зворотного темпового струму і збільшити значення добутку R0*A і таким чином збільшити питому здатність до виявлення Поставлене завдання вирішується тим, що в способі виготовлення фотодюдів на основі вакансійно-легованих монокристалічних пластин CdxHgi х Те р-типу провідності, в яких концентрація дірок визначається відпалом у парі ртуті, а формування n-областей фотодюдів здійснюється одним з ме О (О ю 54476 тодів іонною імплантацією, іонно-променевим кристаллах узкощелевых твердых растворов Hgi травленням, термічним відпалом або опромінени оптичеx Cd x Te по данным гальваномагнитных ням швидкими електронами для зменшення КІЛЬских измерений // Конденсиров среды и межфазКОСТІ структурних дефектів, згідно з винаходом, ные границы - 2000 - Т 2, №2 - С 132-137) 3 монокристал CdxHgi xTe при вирощуванні додатіншого боку, для того щоб преципітати Те не виниково легується ізовалентними домішками Se або кали під час другого етапу відпалу (380 - 400°С), Zn в КІЛЬКОСТІ 0,1 - 1мол %, а відпал пластин проконцентрація вакансій після першого етапу не по17 3 водять у три стадії спочатку при температурі 505 винна перевищувати 3 * 10 см Це накладає об± 5°С та тиску пари ртуті 2,5 - Затм протягом 2 меження на тиск пари Нд ПІД час відпалу, оскільки 24г, далі при температурі 380 - 400°С та тиску павідомо, що концентрація вакансій у CdxHgi xTe у ри ртуті 1,1 - 1,5атм протягом 24 - 72г і потім при стані рівноваги при високому тиску пари Нд обертемпературі 350 - 395°С та тиску пари ртуті від рі нено пропорційна тиску ЗГІДНО даним досліджень 14 = 2 * 10 ехр[-1,89(еВ)/к0Т] атм до р2 = 2рі, але не (див ст [1]), для того щоб концентрація вакансій 17 3 вище рз = 5,6 * 10 ехр[-0,61(еВ)/к0Т] атм , протяпісля першого етапу не перевищувала 3 * 10 см , гом від 24 до 1г (ко = 0,8626еВ/К - стала Больцматиск пари Нд при температурі 495°С не повинен на, Т - абсолютна температура в К) бути меншим за 2,5атм , а при 505°С - не меншим за Затм 3 іншого боку, занадто високий тиск пари Легування монокристалів CdxHgi xTe ізоваленНд (вище Затм) не є ДОЦІЛЬНИМ, ОСКІЛЬКИ може витними домішками Se або Zn при їх вирощуванні кликати руйнування ампули зі зразками при велиприводить до значного поліпшення структури кому и діаметрі (більше 50мм), то температура отриманих кристалів (аж до якісних змін) Зміцнен505°С утворює верхню межу для першого етапу ня зв'язку Нд з халькогеном, що спостерігається відпалу Тривалість відпалу пластин з типовою внаслідок такого легування, помітно збільшує тветовщиною 0,8 - 1,2мм, згідно даним досліджень рдість матеріалу та його стабільність Крім того, (див ст [1]), складає від 2 до 24г і обмежується введення ізовалентних домішок стабілізує розчасом встановлення термодинамічної рівноваги в плав, внаслідок чого суттєво зменшуються флукцій системі туації на фронті кристалізації Це приводить, з одного боку, до спрямлення фронту і, ВІДПОВІДНО, до Метою другого етапу відпалу є зниження конзростання однорідності складу твердого розчину, а центрації вакансій Нд до оптимальної для виготоз іншого боку, усуває одну з головних причин утвовлення фотодіодів величини 5 * 10 15 - 10 1 6 см 3 , рення субзернистої структури У результаті виропричому за якомога короткий час Для цього відщені кристали з домішками Se або Zn мають значпал треба вести у насичених парах Нд, оскільки но нижчу густину дислокацій і не мають взагалі ВІДОМО, що коефіцієнт дифузії ртуті обернено промалокутових границь Цей ефект спостерігається у порційний її тискові В цих умовах потрібний інтервузькому інтервалі концентрацій домішок 0,1 вал концентрацій вакансій досягається при темпе1мол % Зростання легування понад 1 мол % зноратурах в межах 380 - 400°С, а час відпалу ву викликає появу малокутових границь становить від 36 - 72г і до 24 - 48г ВІДПОВІДНО (ДЛЯ пластин товщиною 0,8 - 1 2мм з початковою конВнаслідок високої леткості Нд (значно вищої, центрацією вакансій 3 * 10 7см 3 (див ст [1]) ніж леткість Те) вирощені кристали містять значну КІЛЬКІСТЬ вакансій Нд (як окремих, так і у складі їх Мета третього етапу відпалу полягає у поліпасоціатів - преципітатів телуру) Сумарна КІЛЬКІСТЬ шенні мікроструктури кристалів без помітної зміни 18 3 вакансій ртуті в таких кристалах досягає 10 см , концентрації вакансій Дослід показує, що звороттоді як для створення фотодіодів оптимальна конній темновий струм через р-n перехід значно ви15 центрація вакансій (тобто дірок) становить 5 * 1 0 щий у насичених ртуттю кристалах, ніж у ненаси- 101 с м 3 Для зниження концентрації вакансій до чених (при однаковій концентрації вакансій) необхідної величини проводять відпал пластин у Насичення кристалів ртуттю веде до утворення парі ртуті при температурах не вище за 400°С мікронеоднорідностей типу зв'язного кластера з Оскільки межа розчинності Те при Т s 400°C не підвищеною провідністю - додаткового шунтуючого перевищує 3 * 1017см 3, частина вакансій поза меканалу переносу заряду через р-n перехід Для жами області дифузії залишається при відпалі запобігання утворенню таких каналів тиск пари Нд об'єднаною у преципітати Те Взаємодія таких ПІД час відпалу повинен бути принаймні у 1,2 рази включень з дифузантом - ртуттю супроводжується нижчий тиску насиченої пари, тобто нижчий за переповзанням дислокацій і утворенням характервеличину р 3 = 5,6 * 104 * ехр[-0,61(еВ)/к0Т]атм (див них розеток дислокацій на МІСЦІ включень, що нест [2] ВгеЬпск F, Strauss A J Partial pressures of гативно впливає на параметри фотодіодів Hg(g) and Тег(д) in Hg-Te system from optical densities // J Phys Chem Soc - 1965 - V 26, №6 - P Для позбавлення від таких розеток дислокацій 989 - 1002) 3 іншого боку, інтервалу концентрації відпал пропонується вести у три етапи, перший з вакансій (при рівновазі) ВІД 5 * 10 5 ДО 101 CM , яких з цією метою повинен проходити при високій залежно ВІД температури Т відпалу, відповідає температурі, коли розчинність Те перевищує почадіапазон тисків від рі = 2 * 1014-ехр[-1,89 (еВ)/коТ] ткову КІЛЬКІСТЬ вакансій ртуті Тоді преципітати Те атм до р2 = 2рі (див ст [1]) Отже, тиск пари ртуті при відпалі відсутні внаслідок їх повного розчипри відпалі повинен задаватися одночасно двома нення, і розетки дислокацій не утворюються Доумовами р < рз = 5,6 * 104 * ехр[-0,61(еВ)/к0Т] атм, слід показує, що для цього температура відпалу з одного боку (інакше виникають шунтуючі провідні повинна бути не нижчою за 495°С, оскільки розканали), і 2 * 1014ехр[-1,89 (еВ)/к0Т] атм = рі < р < чинність вакансій при цій температурі складає як18 3 Р2 = 2рі, з іншого боку Для заданого інтервалу раз 1 * 10 см (див ст [1] Богобоящий В В Конконцентрації вакансій від 5 * 10 5 до 10 1 6 см 3 ці центрация равновесных собственных дефектов в умови накладають обмеження на максимальну температуру останньої фази відпалу - Т s 395°C (див ст [1]) Оскільки час, необхідний для відпалу, швидко зростає при понижені температури відпалу і стає більшим за 24г при Т < 350°С (див ст [1]), то температури нижчі за 350°С в технологічному плані не ефективні Наведені чинники визначають запропоновані режими відпалу пластин На фіг 1 приведені вольт-амперні характеристики фотодіодів на основі монокристалічних пластин p-CdxHgi xTe з різним ступенем структурної 54476 досконалості, характеристика яких наведена в табл 1 Формування областей n-типу провідності фотодіодів здійснено за допомогою дифузії ртуті 2 Площа ДІОДІВ дорівнювала А = 0,035см Як видно з рисунку та таблиці 1 найменшим значенням зворотного темнового струму характеризуються фотодюди, сформовані на основі пластини, яка виготовлена у ВІДПОВІДНОСТІ ДО запропонованого способу (крива 5), в якій відсутні малокутові границі, розетки дислокацій, мікровключення ртуті Технологічні режими виготовлення пластин наведені в таблиці 2 Таблиця 1 Характеристика структурної досконалості пластин p-CdxHgi xTe № п/п Характеристика структурної досконалості пластин p-CdxHgi xTe Наявність розеток дислокаНаявність МКГ Наявність мікровключень ртуті цій 1 2 3, 4 5 є є є є є немає є немає немає є є немає немає немає немає Таблиця 2 Технологічні режими виготовлення пластин № зразка 1 2 3 4 5 Концентрація Se, мол % 0,5 0,5 0,5 І етап Т,°С 500 Відпал II етап • нд, • нд, атм 2,8 t, г Т,°С 24 400 400 400 Підписано до друку 03 04 2003 р атм 1,5 1,5 1,5 t, г Т, °С 96 96 24 407 407 350 350 350 Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24 III етап • нд, атм 2,4 2,4 0,1 0,1 0,1 t, г 72 72 24 24 24