Спосіб виготовлення омічних контактів до високоомних монокристалічних зразків p-cdte, легованого хлором

Реферат: Спосіб виготовлення омічних контактів до високоомних монокристалічних зразків p-CdTe, легованих хлором включає різку монокристала CdTe на пластини, механічне шліфування та полірування, травлення зразків в поліруючому травнику та виготовлення електричних контактів методом термовакуумного напилення золота. Зразки додатково відпалюють в інертній атмосфері впродовж 60-65 хв. при температурі 175-178 °C. UA 76097 U (12) UA 76097 U UA 76097 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до напівпровідникової електроніки і може бути використане для виготовлення омічних контактів до зразків високоомного р-СdТе:Сl, зокрема, для напівпровідникових детекторів - та X-випромінювання. Такі детектори виготовляють шляхом різки високоомного монокристала CdTe на пластини, їх шліфування, механічного полірування, хімічної обробки зразків в травниках для зняття порушеного шару та нанесення електричних контактів напиленням відповідного металу. Детектори на основі високоомного p-CdTe, легованих хлором можуть ефективно використовуватись як при кімнатній температурі, так і при термоелектричному охолодженні [1]. Одна з найбільш важливих проблем, що стоять на цьому шляху, - це виготовлення омічних контактів до високоомного CdTe. Основною вимогою до омічного контакту є те, що спад напруги на перехідному опорі структури метал-напівпровідник при будь-якій полярності прикладеної до приладу напруги повинен бути значно меншим, ніж на активній його області, тобто опір контактної області не повинен впливати на параметри і характеристики приладу. Вимоги до ідеальних омічних контактів сформульовані у праці [2]: 1) омічні контакти не повинні бути випрямляючими, тобто їх вольт-амперна характеристика (ΒΑΧ) повинна мати прямопропорційну залежність; 2) опір контакту не повинен залежати від значення струму, що проходить крізь нього, тобто повинні бути відсутніми нелінійні ефекти; 3) приконтактний опір повинен бути малим в порівнянні з опором активної області напівпровідника або приладу; 4) контакт метал - напівпровідник повинен бути механічно міцним, надійним і стабільним; 5) власний шум приконтактної області повинен бути меншим у порівнянні з шумом об'єму напівпровідника до якого формується контакт або з шумом активної області приладу). З точки зору теоретичної моделі формування ідеального омічного контакту до напівпровідника р-типу провідності, робота виходу з контактного металу W м повинна бути більшою, ніж робота виходу з напівпровідника W нп [3]. У цьому випадку приконтактна область напівпровідника буде збагачуватись основними носіями заряду - дірками, що обумовить + формування структури р -р-типу. Важливою проблемою виготовлення якісних омічних контактів до р-СdTe є вибір контактного металу, який повинен відповідати умові W м > W нп. Для p-CdTe W нп= θ+EF, де θ=4,28 еВ - електронна спорідненість для CdTe [4], EF - положення рівня Фермі в об'ємі монокристалу і визначається рівнем його легування. Так як значення EF в p-CdTe може змінюватись в межах Eg/2-Eg в залежності від рівня легування, a Eg (CdTe)≈1,5 еВ при Т≈300К, то робота виходу в p-CdTe буде змінюватись в межах 5,03-5,78 еВ. За умови формування ідеального омічного контакту до високоомного p-CdTe робота виходу з металу повинна бути W м ≥ 5,03 еВ. Згідно [5] цим умовам можуть відповідати такі метали як нікель, золото та платина, у яких W м становить 4,5-5,0; 4,6-5,2 та 5,3 еВ відповідно. Формування якісних омічних контактів до високоомного р-СdТе є доволі складною і остаточно невирішеною задачею. До сьогодення є розроблена методика виготовлення електричних контактів до р-СdTе, що базується на осадженні міді хімічним способом витісненням її з розчину CuSO4 голкою, виготовленою з чистого індію [6] За допомогою такого способу можна виготовляти електричні контакти на р-СdTе із задовільною адгезією до кристалу, але, внаслідок великого коефіцієнта дифузії міді в р-СdТе [7], експлуатаційні параметри таких приладів протягом нетривалого часу деградують. Запропонований в роботі [6] спосіб виготовлення електричних контактів до р-СdТе рекомендується використовувати для нанесення струмових та потенціальних контактів, призначених для вимірювання його електрофізичних параметрів в інтервалі температур 90-400 К. Поширеним способом виготовлення омічних контактів до p-CdTe є нанесення золота хімічним способом на спеціальним чином оброблену поверхню кристалу [8]. В цьому способі для отримання лінійної ΒΑΧ обов'язковою є попередня обробка контактних площадок стандартно підготовленої поверхні p-CdTe (механічне шліфування, полірування, хімічне поліруюче травлення) та фінішна підготовка контактної площадки іскровим розрядом конденсатора з наступним нанесенням на ці площадки золота. Як правило, шар золота наносився з краплі золотохлористоводневої кислоти (H(AuCl4). Опір зразка для запропонованої іскрової обробки контактних площадок повинен бути в діапазоні значень 10-20 Ом. Наведені ΒΑΧ структур Au/p-CdTe, виготовлених таким способом, мають лінійний характер при Т=290К, а при 77К в діапазоні напруг зміщення ±1 В - нелінійний, що свідчить про присутність потенціального бар'єру в цих структурах. Такі контакти володіють задовільною адгезією до p7 10 CdTe і не деградують. Але, так як послідовний опір детекторного матеріалу становить ~10 -10 Ом і значно перевищує опір того матеріалу p-CdTe, що використовувався в [8], то такий спосіб 1 UA 76097 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виготовлення омічних контактів до детекторів γ- та X-випромінювання потребує істотного вдосконалення. Найбільш близьким до запропонованого способу є спосіб лазерного вакуумного нанесення омічних контактів до високоомного p-CdTe [9] (прототип). У вказаному способі зразки необхідних розмірів шліфують, полірують та проводять хімічну обробку в поліруючому хімічному травнику. Напилення контактного металу (золота) здійснюють одиночним імпульсом технологічного лазера через маску з дзеркальної фольги, яка має форму смужок шириною ~1 мм. Напилення металу на зворотну сторону зразка здійснюють після зміщення маски на зразку на 1 мм. Потім здійснюють лазерне вплавлення контактного металу (золота) одиночним імпульсом 2 технологічного лазера з енергією кванта hv 178 °C, як показано нижче, наступає істотна деградація електрофізичних властивостей приконтактної області зразка. Відпал тривалістю менше, ніж 60 хв не дає потрібного результату, а в більша, ніж 65 хв, тривалість відпалу не покращує якість омічних контактів. Завдяки проведенню після термовакуумного напилення додаткового відпалу в інертній атмосфері при вказаних вище температурах відбувається дифузія золота в приповерхневу область кристалу, + внаслідок чого вона легується з формуванням р -області, що дозволяє носіям заряду + тунелювати крізь потенціальний бар'єр структури Au/p -p-CdTe, тобто формується низькоомний надійний контакт, а напруга зміщення буде повністю прикладена до високоомного p-CdTe:Cl, що зумовлює стабільність такого контакту. Нами було проведено дослідження впливу відпалу зразків CdTe:Cl без контактів в діапазоні температур 150-200 °C на спектри низькотемпературної фотолюмінесценції (ФЛ). На фіг. 1 19 -3 приведені спектри ΦЛ CdTe:Сl з NCl=5·10 см , виміряні при температурі 5 К до (1) і після відпалу в атмосфері аргону при різних температурах впродовж 30 хв при 170 °C (2), 180 °C (3) і 0 200 °C (4). Спектри нормовані до відповідної інтенсивності лінії (А , Х). Відпал при TВ 178 °C. Вказані зміни викликані: а) зменшенням концентрації центрів СlTе в приповерхневій області кристалу, б) зростанням концентрації Α-центрів, зумовлених створенням додаткових вакансій кадмію. На відміну від лазерного вакуумного способу нанесення контактів, при використанні звичайного термовакуумного напилення є можливим одночасне виготовлення контактів до групи зразків. Запропонований спосіб не потребує наявності високовартісних лазерних установок і є значно продуктивнішим, більш відтворюваним та простішим у реалізації. Приклад конкретного виконання 2 UA 76097 U 5 10 15 20 25 30 Високоомний p-CdTe був вирощений методом Бріджмена і легувався хлором в процесі росту 3 додаванням наперед визначеної кількості солі CdCl2. Зразки розміром 7×7×4 мм виготовляли з пластин високоомного p-CdTe:Cl розрізанням їх на заготовки за допомогою станка абразивної струнної різки, механічного їх шліфування і полірування. Видалення порушеного шару здійснювалось методом хіміко-механічного поліруючого травлення з використанням протравлювачів складу 2 об. % брому в 98 об. % бромисто-водневої кислоти з подальшими технологічними операціями промивки в чистому етиленгліколі та просушування. Після цього зразки закріплювались на кристалотримачі вакуумної установки ВУП-4 і крізь маски з розміром 2 вікон 5×5 мм термовакуумним методом наносились шари золота товщиною 600-700 Å на протилежні сторони зразків. Тонкі шари золота давали можливість проникати випромінюванню з довжиною хвилі λ ≥ 0,82 мкм в приконтактну область структур Au/p-CdTe:Cl, що дозволяло визначати висоту їх потенціального бар'єра еφВ фотоелектричним методом, наприклад, методом спектрального розподілу фотоемісії Фаулера [10]. Для надійного приєднання контактних провідників до тонкого шару золота, додатково наносився термовакуумним 2 способом більш товстий шар золота товщиною 0,5-1,0 мкм та розміром 1,0×5,0 мм . Процес нанесення шарів золота здійснювався в єдиному технологічному процесі за допомогою + пристрою спеціальної конструкції. У подальшому структури Au/p -p-CdTe виймались з вакуумної установки і проводились вимірювання їх вихідних ΒΑΧ та спектрального розподілу фоточутливості. Термообробку зразків здійснювали у спеціально підготовлених кварцових ампулах, -5 попередньо вакуумованих до тиску 2-3·10 мм рт.ст. і заповнених чистим аргоном до тиску 0,40,6 атм. При цьому тиску ампули відпаювали за допомогою газового пальника. Потім ампули зі зразками розміщували в ізотермічну зону вертикально розташованої електропечі з відповідною температурою. Вимірювання ΒΑΧ здійснювались на постійному струмі за допомогою установки, що -9 -2 дозволяла реєструвати струми в межах 1·10 -6·10 А. Вимірювання спектрального розподілу фотоемісії Фаулера проводились на установці на основі монохроматора SPM-2 (призма BaF). Потужність випромінювання, що попадала на зразок після щілини монохроматора вимірювалась каліброваним в абсолютних одиницях вакуумним термоелементом. Реєстрація фотосигналу від зразків здійснювалась методом синхронного детектування на частоті ƒ=470 Гц. Визначення висоти потенціального бар'єру діодів Шотткі за методикою спектрального розподілу фотоемісії Фаулера базується на вимірюванні залежності фотоструму ІФ, приведеного на один падаючий квант (ΙФ/Ν) від енергії квантів випромінювання hv, яке падає на активну площу структури. За 12 відомим співвідношення Фаулера [10] IФ / N  В  h [еВ], екстраполяцією лінійної ділянки залежності IФ / N  ƒh  до перетину з віссю hv знаходиться значення βφΒ. Згідно [10], точність вимірювання еφΒ не перевищує kТ, де k - стала Больцмана, Τ - температура. На фіг. 2 представлені типові результати спектрального розподілу Фаулера, побудовані в координатах 12 35 IФ / N1 2  h 40 45 50 55 для не термообробленої структури Au/p-CdTe:Cl (крива а), термообробленої в атмосфері аргону при температурі 150 °C впродовж 30 хвилин (кривав) та термообробленої в атмосфері аргону при температурі 175 °C впродовж 60 хвилин (крива в). Екстраполяція лінійних 12 ділянок залежності IФ / N  ƒh  дає наступні результати для eφВ.: ~0,7; ~0,65 та ~0,05 еВ, відповідно для кривих а, б та в. Тобто при температурах термовідпалу 175-178 °C впродовж 6065 хв значення висоти потенціального бар'єру структур Au/p-CdTe:Cl реєструється в межах похибки експериментальної методики, що свідчить про його досить мале значення або про відсутність бар'єру взагалі. Зміна ΒΑΧ того ж зразка і при тих же технологічних режимах термообробки показана на фіг. 3. Зазначимо, що ΒΑΧ виміряно при Т=291 К як і спектральний розподіл фотоемісії Фаулера та побудовано для наочності в подвійних логарифмічних координатах. lgI-lgV лише при одній полярності прикладеної напруги зміщення. При протилежній полярності напруга зміщення результати вимірювань ΒΑΧ відрізняються не більше ніж на 15 %. Аналіз кривих а) та б) на фіг. 3 показує, що ΒΑΧ задовільно апроксимувались степеневою n залежністю I~V , де n - показник степеня, причому характер поведінки цих ΒΑΧ подібний. Для діапазону напруг зміщення 5 ≤ V ≤ 70 В спостерігається сублінійна залежність ΒΑΧ з n≈0,5-0,6, що характерно для діодів Шотткі з генераційно-рекомбінаційним механізмом струмопроходження крізь потенціальний бар'єр структур [10]. При V > 100 В чітко спостерігається досить значне зростання темпового струму з n≈4-6, що пояснюється початком пробою структур. ΒΑΧ як не термообробленої структури (крива а), так і термообробленої при 3 UA 76097 U 5 10 15 20 25 30 температурі 150 °C впродовж 30 хв (крива б), демонструють типовий характер поведінки для діодів Шотткі [10]. Термообробка структури при температурі 175 °C впродовж 60 хв (крива в), обумовлює лінійну ΒΑΧ в діапазоні напруг зміщення I ≤ V ≤ 80 В, що вказує на відсутність або досить мале значення висоти потенціального бар'єру, тобто після вищевказаної термообробки ΒΑΧ структури Au/p-CdTe:Cl стають омічними. Проведені дослідження показали, що завдяки тому, що після нанесення золота методом термовакуумного напилення зразки додатково відпалюють в інертній атмосфері впродовж 60-65 хв при температурі 175-178 °C стає можливим отримання стабільних більш відтворюваних ніж в прототипі омічних контактів до високоомного p-CdTe за допомогою більш технологічного і дешевого способу. ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ: 1. Корбутяк Д.В., Мельничук С.В., Корбут Є.В., Борисюк М.М.: Телурид кадмію: домішководефектні стани та детекторні властивості, Київ, Видавництво "Іван Федоров" 2000 p., 198 с. 2. Кучис Е.В. Методы исследования эффекта Холла. Μ.: Советское радио, 1974, 328 с. 3. Родерик Э.Х. Контакты металл-полупроводник. М.: Радио и связь, 1982, 208 с. 4. Шарма Б.Л., Пурохит Р.К. Полупроводниковые гетеропереходы. М.: Советское радио, 1979, 232 с. 5. Фоменко B.C. Эмиссионные свойства металлов. Справочник. Киев: Наукова думка, 1981, 340 с. 6. Слынько В.В., Никонюк Є.С., Матлак В.В. Нанесение контактов на поверхность полупроводниковых кристаллов. ПТЭ, 1969, №3, с. 203. 7. Панчук О.Э., Грыцив В.И., Белоцкий Д.П. Диффузия Сu в CdTe. Известия АН СССР. Неорганические материалы, 1975, т.11, №10, с. 1763-1765. 8. Заячкивский В.П., Ковалец М.А., Кучма Н.И., Троцюк Н.И., Плысюк И.А. Получение омических контактов к образцам p-CdTe. ПТЭ, 1984, №5, с. 211-212. 9. Корбутяк Д.В., Бобицький Я.В., Будзуляк C.I., Вахняк Н.Д., Демчина Л.А. Єрмаков В.М., та ін. Спосіб виготовлення детектора γ- та Х-випромінювання на основі високоомних напівпровідників CdTe та CdZnTe. Деклараційний патент на винахід № 46513А, Україна, Опубл. 15.05.02; Бюл. №5 "Промислова власність", 6 с. 10. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, т.1, 1984, 456 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 Спосіб виготовлення омічних контактів до високоомних монокристалічних зразків p-CdTe, легованих хлором, який включає різку монокристала CdTe на пластини, механічне шліфування та полірування, травлення зразків в поліруючому травнику та виготовлення електричних контактів методом термовакуумного напилення золота, який відрізняється тим, що зразки додатково відпалюють в інертній атмосфері впродовж 60-65 хв. при температурі 175-178 °C. 4 UA 76097 U 5 UA 76097 U Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6