Спосіб приповерхневого легування елементами групи аііі напівпровідникових сполук групи аіівvi при створенні електричних бар’єрних структур пружною хвилею

Спосіб приповерхневого легування елеменIII том групи А напівпровідникових сполук групи 3 рений лазерним вплавленням металу в CdTe плавний перехідний шар між металом та напівпровідником не лише забезпечує кращу адгезію порівняно з попереднім аналогом, але і практично повністю усуває поляризаційний ефект та зменшує шуми на границі метал-напівпровідник. Недоліком такого методу є те, що дані структури досить швидко деградують, їхні характеристики не є стабільними в інтервалі часу. За прототип обрано метод лазерної технології легування приповерхневого шару індієм в CdTe [4]. Для експериментів використовували монокристалічні компенсовані хлором пластини CdTe орієнтації (111) p-подібного типу провідності з питомим опором р~(2-5)·109Ом см при кімнатній температурі. Лінійні розміри зразків 5х5х0,5мм3. Для отримання легованого шару використовувалася така технологія: 1. Попередня хіміко-динамічна підготовка пластин CdTe, яка включає Очистку, полірування, промивку зразка і просушування зразка у потоці інертного газу. 2. Лазерне легування поверхневого шару кристалів CdTe індієм та формування індієвого контакту на стороні, де створений p-n перехід: -5 Напилення у вакуумі ~10 Па на поверхню кристалу CdTe(111) В (Te-terminated) легуючої плівки In товщиною 20нм, без нагрівання зразка, меншою за глибину проникнення теплової хвилі. Однорідне опромінення в атмосфері інертного газу 0,3МПа усієї поверхні зразка зі сторони нанесеної плівки In одиночним наносекундним (20нc) імпульсом лазера (рубінового - 694 нм або ексимерного KrF - 248нм) з густиною енергії 90100мДж/см2. Недоліком методу, за яким відбувалось легування за прототипом, зразки мають певний розкид параметрів (нерізкий фронт легуючого шару) та невисокий вихід отриманих бар'єрних структур, а також складність і довготривалість технологічного процесу, що зумовлює ресурсовитратність. Також такі структури деградують з часом, а також змінюється профіль легованого шару. Це пов'язано з тим, що при лазерному опроміненні в прототипі відбувається не тільки плавлення всього тонкого шару металу а і приповерхневого шару напівпровідника, відповідно великі градієнти температур і напруг у кристалі призводять до формування значної кількості точкових та протяжних дефектів у приповерхневому шарі напівпровідника, зокрема електричноактивних, які можуть викликати як зниження ефективності легування та досягнення бажаних параметрів, так і бути причиною нестабільності роботи та деградації приладів, створених на основі такої діодної структури. В основу корисної моделі, яка пропонується, поставлено задачу отримання більш різкого та мілкого фронту легуючого шару, зменшення дефектності отриманої структури при покращенні технологічності способу. Для вирішення поставленої задачі спосіб, що заявляється, включає напилення на поліровану поверхню напівпровідника плівки легуючого елементу і її опромінення лазерним імпульсом трива 41215 4 лістю 20нc рубінового або ексимерного KrF лазера з густиною енергії, якої достатньо для утворення пружної хвилі. Спосіб, що заявляється, реалізується наступним чином: 1. Попередня хіміко-динамічна підготовка напівпровідникового матеріалу, яка включає Очистку, полірування, промивку зразка і просушування зразка у потоці інертного газу. 2. Лазерне легування поверхневого шару напівпровідникового матеріалу металом: Напилення у вакуумі ~10-5Па на поверхню кристалу напівпровідника легуючої плівки металу товщиною більшою за глибину проникнення теплової хвилі, але меншою за глибину утворення ударної хвилі при імпульсному лазерному опроміненні без нагрівання зразка. Однорідне опромінення усієї поверхні зразка зі сторони нанесеної плівки металу одиночним наносекундним (20нc) імпульсом лазера (рубінового 694нм або ексимерного KrF - 248нм) з густиною енергії, якої достатньо для виникнення пружної хвилі. Завдяки тому, що в запропонованому способі плівку металу напиляють на поверхню напівпровідника товщиною більшою за глибину проникнення теплової хвилі, але меншою за глибину утворення ударної хвилі при імпульсному лазерному опроміненні, легування поверхневого шару напівпровідникових кристалів відбувається у твердому (нерозплавленому) стані напівпровідника і прилеглого до нього шару металу внаслідок стимульованої дифузії і сегрегації атомів металу у поверхневий шар напівпровідника як результат дії лазерноіндукованої пружньої хвилі, що виникає при опроміненні зразка потужним наносекундним імпульсом лазера зі сторони покритої металом. Поставлена задача згідно методу, що заявляється, вирішується за рахунок напилення шару металу вказаної товщини і, відповідно, іншого не теплового механізму входження атомів легуючого металу в поверхневий шар напівпровідника при легуванні. За прототипом метал входить у поверхневий шар напівпровідника внаслідок розплаву металу і поверхневого шару напівпровідника, перемішування рідких фаз матеріалів і взаємного розчинення [5, 6]. При використанні запропонованого способу відбувається твердофазне легування, основну роль в якому відіграють лазерноіндуковані пружні та ударні хвилі. Окрім того, товщина плівка така, що вона не повністю випаровується при лазерному опроміненні і надалі може виконувати роль електричного контакту. Отримані структури за запропонованим методом мають більш різкий фронт легуючого шару у порівнянні із прототипом, а також зменшується дефектність структури. Запропонований метод є більш технологічнішим, оскільки, зникає потреба операції додаткового формування електроду до легованого шару напівпровідника при використанні легованої структури, а значить зменшується вірогідність внесення додаткових дефектів і пошкодження легованого шару структури. 5 41215 Перевага виготовлених з використанням запропонованого методу легування електричних бар'єрних структур у порівнянні із прототипом полягає в тому, що такі структури мають нижчі зворотні струми протікання, вищу стабільність електричних параметрів. При зберіганні отриманих структур у звичайних умовах виявлено, що їх електричні характеристики навіть покращуються, зокрема зменшується струм протікання. Запропонований спосіб ілюструється конкретним прикладом його реалізації. Даним методом легування були виготовлені рn структури на основі CdTe:Cl. Теоретично оцінено плавлення приповерхневого шару метал напівпровідник, та глибину виникнення пружньої та ударної хвиль в металі та напівпровіднику. Поверхня кристалу CdTe попередньо піддавалася очистці і поліруючому травленню хімічним або лазерним методом. На очищену і поліровану поверхню кристалу CdTe 5x5мм2 методом вакуумного напилення наносилася плівка In товщиною 400нм, потім в атмосфері інертного газу (0,3МПа) 6 зразки опромінювалися з боку In одиночним імпульсом рубінового або ексимерного KrF лазера тривалістю 20нc з густиною енергії 100мДж. Завдяки генерації лазерно-індукованої хвилі і її дії, відбувалося введенню In у приповерхневий шар кристалу CdTe і формувався р-n перехід. При опроміненні зразка нанесена плівка індію не повністю плавилась та випаровувалася і надалі служила також як електрод. Після чого на його протилежну сторону напилявся інший електрод (In, Au) товщиною ~300-400нм. Отримані за допомогою запропонованого способу приповерхневого легування р-n структури In/CdTe мають різко виражені випрямляючі вольамперні характеристики (ВАХ) з великим струмом при прямому зміщенні і досить малим струмом (густина струму менше 1нА/см при -100В і Т=300К) при зворотньому зміщенні. ВАК р-n структури зображена на Фіг. Виготовлені запропонованим способом структури мали такі параметри у порівнянні з прототипом: Таблиця Найменування характеристики чи параметру Довжина хвилі випромінювання лазера Тривалість імпульсу лазера Атмосфера при лазерному опроміненні Густина енергії імпульсу лазера Температура при опроміненні і вимірюваннях Напівпровідник CdTe, питомий опір Товщина легуючої плівки In Товщина легованого шару Концентрація електронів у легованому шарі Густина струму при зворотному зміщенні 100 В Детектори виготовлені запропонованим способом Значення 694нм (рубіновий), 248нм (екси248нм (ексимерний KrF) мерний KrF) 20нс 20нс вакуум ~1Па, аргон 0,3МПа вакуум ~1Па, аргон 0,3МПа -90мДж/см2 90-100мДж/см2 Прототип кімнатна кімнатна (1-5) х 10 Ом-см 20-30нм 50-60нм (1-5) х Ю90м-см 300-400нм 25-40нм ~9х 1018см-3 ~2х1019см-3 ~10нА/см2 ~1нА/см2 Джерела інформації 1. L.A. Kosyachenko, V.M. Sklyarchuk, Ye.F. Sklyarchuk, K.S. Ulyanitsky. Surface-barrier p-CdTbased photodiodes. Semicond. Sci. Technol. 14 373377 (1999). 2. L.A. Kosyachenko, S.Yu. Paranchych, Yu.V. Tanasyuk, V.M. Sklyarchuk, Ye.F. Sklyarchuk, E.L. Maslyanchuk, V.V. Motushchuk. Semiconductors. 37, 469-472 (2003). 3. Патент України на корисну модель № 46513 А. Корбутяк Д. В., Бобицький Я.В., Будзуляк СІ., Вахняк Н.Д., Демчина Л.А., Єрмаков В.М., Крилюк С.Г., Крюченко Ю.В. Спосіб виготовлення детектора у- та Х-випромінювання на основі високоомних напівпровідників CdTe та CdZnTe. 9 4. М. Niraula, A. Nakamura, Т. Aoki, Y. Tomita, Y. Hatanaka, A new fabrication technique of CdTe strip detectors for gamma-ray imaging and spectroscopy, Phys. Stat. Sol. B, 229,1103- 1107(2002). 5. Gnatyuk V.A., Aoki Т., Niraula M., Hatanaka Y. Influence of laser irradiation and laser-induced In doping on photoluminescence of CdTe crystals // Semicond. Sci. Technol. - 2003. - Vol.18, No 6. - P.560565. 6. Fochuk P., Panchuk O., Feychuk P., Shcherbak L., Savitskyi A., Parfenyuk O., Ilashchuk M., Hage-Ali M., Siffert P. Indium dopant behaviour in CdTe single crystals // Nucl. Instrum. Methods A. 2001. - Vol.458. - P.104-112. 7 Комп’ютерна верстка О. Рябко 41215 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601