Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Получение эпитаксиальных слоев CdxHgi xTe MOCVD-методом для ИК-фотоприёмных устройств. (литературный обзор) 12
1.1. Физико-химические свойства теллуридов Cd, Hg и Zn. 12
1.2. Основные методы получения эпитаксиальных слоев CdsHg|.xTe. 18
1.3. Подложки для осаждения CdxHgi.xTe. 22
1.4. MOCVD-метод получения эпитаксиальных слоев CdxHgi xTe. 26
1.4.1. Общая характеристика метода. 26
1.4.2. Осаждение на подложках из GaAs. 28
1.5. Современные приборы на основе CdxHgi.xTe. 33
1.6. Постановка цели и задач исследований 37
Глава 2. Выращивание буферных слоев ZnTe и CdTe на подложках из арсенида галлия методом химического осаждения из паров алкильных соединений кадмия, цинка и теллура . 39
2.1. Аппаратура и методика эксперимента. 39
2.2. Исследование термораспада ДИПТ. 46
2.3. Осаждение буферных слоев ZnTe на подложках из GaAs. 48
2.3.1. Зависимость скорости роста, кристаллического совершенства и морфологии поверхности эпитаксиальных слоев ZnTe от температуры подложки . 48
2.3.2. Модель осаждения ZnTe из паров ДЭТ и ДЭЦ. 56
2.4. Осаждение эпитаксиальных слоев CdTe на подложках из GaAs. 57
2.4.1. Влияние толщины прослойки ZnTe/GaAs на свойства эпитаксиальных слоев CdTe кристаллографических ориентации (100) и (И 1)B. 57
2.4.2. Выращивание и свойства гетероструктур CdTe/GaAs( 111 )В и CdTe/ZnTe/GaAs( 100). 61
Глава 3. Осаждение эпитаксиальных слоев Cdi yZnyTe на подложках из арсенида галлия кристаллографических ориентаци й (100) и (111 )В. 64
3.1. Влияние условий осаждения на скорость роста, морфологию поверхности, структурное совершенство и состав Cdi.yZnyTe. 64
3.2. Осаждение гетероструктур Cd].yZnyTe/CdTe/ZnTe/GaAs. 69
3.3. Механизм роста эпитаксиальных слоев Cdi-yZnyTe. 71
3.4. Сравнительная характеристика буферных слоев CdTe/GaAs(l 11)В, CdTe/ZnTe/GaAs( 100) и Cd,.yZnyTe/CdTe/ZnTe/GaAs( 100). 72
Глава 4. Осаждение тройного раствора CdxHg|.xTe чередованием тонких слоев HgTe и CdTe на подложках из GaAs. 74
4.1. Методика проведения эксперимента. 74
4.2. Выбор буферного слоя и реагентов для послойного роста КРТ. 76
4.3. Осаждение эпитаксиальных слоев HgTe в условиях роста КРТ. 80
4.4. Осаждение эпитаксиальных слоев CdTe в условиях роста КРТ. 85
4.5. Осаждение гетероструктур CdTe/CdxHgi KTe/CdTe/GaAs (111)В из паров Cd(CH3)2, Te(i-C3117)2 и Hg. 86
4.6. Определение толщины и состава эпитаксиальных слоев CdxHgi.xTe. 89
4.7. Измерение электрофизических параметров эпитаксиальных слоев CdxHg|.xTe. 90
4.8. Влияние низкотемпературного отжига на электрофизические свойства гетероструктур CdTe/CdxI Igi xTe/CdTe/GaAs (111)В. 93
4.9. Матричное фотоприёмное устройство для спектрального диапазона 3-=-5 мкм на основе гетероструктуры p-Cd0,27Hgo,73Te, полученной MOCVD-методом. 98
Выводы. 104
Список литературы. 106
- Основные методы получения эпитаксиальных слоев CdsHg|.xTe.
- Зависимость скорости роста, кристаллического совершенства и морфологии поверхности эпитаксиальных слоев ZnTe от температуры подложки
- Влияние условий осаждения на скорость роста, морфологию поверхности, структурное совершенство и состав Cdi.yZnyTe.
- Влияние низкотемпературного отжига на электрофизические свойства гетероструктур CdTe/CdxI Igi xTe/CdTe/GaAs (111)В.
Введение к работе
Актуальность темы.
Одним из важнейших представителей группы соединений А2В6 является тройной раствор CdJIg|.xTe (КРТ). В настоящее время это основной материал для изготовления высокочувствительных и быстродействующих фотоприёмников для среднего (3-5 мкм) и дальнего (8-14 мкм) окон прозрачности атмосферы в ИК-области.
Благодаря образованию системой CdTe-HgTe непрерывного ряда твердых растворов с шириной запрещённой зоны КРТ от -0,3 эВ ( х=0) до 1,6 эВ ( х=1) состав тройного раствора может быть оптимизирован для использования в диапазоне длин волн от 1 до 30 мкм.
Начиная с первого сообщения о синтезе тройного раствора в конце 1950-х годов [1] основным методом получения CdxHgi_xTe для изготовления фотодетекторов было выращивание объёмных кристаллов из жидкой фазы. Такой материал имеет высокие однородность состава и кристаллическое совершенство, низкую концентрацию, высокие подвижность и время жизни носителей заряда. Однако методу присущи недостатки - блочность, малый выход годного материала при резке на пластины и трудность получения больших монокристаллов, необходимых для изготовления современных многоэлементных ИК-фотоприемников.
В настоящее время более перспективными считаются эпитаксиальные слои тройного раствора на гетеро подложках. Основными методами выращивания эпитаксиальных слоев CdxHgbXTe в настоящее время являются жидкофазная (ЖФЭ), молекулярно-лучевая (МЛЭ) эпитаксия и химическое осаждение из паров металлоорганических соединений (MOCVD). В методе ЖФЭ высокие температуры роста создают большие трудности с получением резких гетерограниц и многослойных структур, имеются ограничения при выборе материала подложек. Характерным недостатком ЖФЭ являются также частые случаи террасной морфологии поверхности слоев.
Достоинствами газофазных методов - МЛЭ и метода химического осаждения из паров МОС являются низкая температура роста и возможность выращивания слоев на гетероподложках большой площади (кремний, арсенид галлия, лейкосапфир), а также совмещение в одном цикле нескольких операций. MOCVD-метод уступает МЛЭ в широте применяемых методов контроля и исследования свойств слоев во время осаждения, но в то же время более производителен и использует менее сложное оборудование.
Первоначально рост CdxHgi_xTe осуществляли осаждением одновременно трех компонентов из газовой фазы (DAG-метод - direct alloys growth). Однако область температуры и соотношения концентраций МОС, в которой может расти сплав CdxHgj,xTe, очень узка. За пределами этой области растет либо CdTe, либо HgTe. В результате при их соосаждении может иметь место значительная неоднородность состава растущего слоя [2].
Контроль состава легче осуществлять при осаждении КРТ послойным методом - IMP (interdiffussed multilayers process), предложенным в 1984 году [3], когда получают многослойную структуру из чередующихся слоев CdTe и HgTe с последующей гомогенизацией структуры за счет взаимной диффузии компонентов. При этом условия осаждения могут выбираться оптимальными для каждого соединения. Ранее осаждение CdJIgi_xTe чередованием слоев HgTe и CdTe проводили из паров диэтилтеллура (ДЭТ), диметилкадмия (ДМК) и металлической ртути, однако заметное различие в термической устойчивости ДЭТ и ДМК создаёт значительные трудности проведения процесса при температурах ниже 400 С, а при более высоких температурах ухудшаются характеристики гетероструктур. В последнее десятилетие чаще используют менее термически устойчивый диизопропилтеллур (ДИПТ) [4,5], что позволяет снизить температуру роста и улучшить характеристики материала. В качестве подложек
перспективным материалом является GaAs с нанесённым на него буферным слоем CdTe или Cd].yZnyTe.
К настоящему время уровень MOCVD-технологии КРТ за рубежом позволяет изготавливать сложные приборные структуры, в том числе двухцветные [6], однако в публикациях технология осаждения освещена слабо. Приведённые в литературе данные по получению буферных слоев CdTe, ZnTe и Cdi.yZnyTe на GaAs зачастую противоречивы, неясен механизм их роста и предпочтительность выбора в зависимости от кристаллографической ориентации GaAs. Практически отсутствует информация, относящаяся к условиям и закономерностям роста слоев HgTe из паров ДИПТ и условиям послеростового отжига MOCVD-эпислоёв КРТ.
Целью данной работы была разработка MOCVD-методики получения гетероструктур CdxHgi.xTe/GaAs р-типа проводимости из паров Cd(CH3)2, Те(С2Н5)2, Те(і-С3ІІ7)2 и Hg, пригодных для изготовления диодных матричных фотоприёмных устройств (МФПУ).
Для решения поставленной задачи было необходимо:
Исследовать закономерности и механизм роста буферных слоев системы CdTe-ZnTe из паров МОС на подложках GaAs, разработать методики их осаждения на подложки GaAs(l 11)В и GaAs(lOO).
Изучить закономерности и условия осаждения высококачественных слоев HgTe из паров Те(ї-СзІ h)i и металлической ртути.
Исследовать режимы послеростового отжига эпитаксиальных слоев CdxHgi.xTe для получения электрофизических параметров материала р-типа, достаточных для изготовления диодных ИК-фотоприёмников.
Научная новизна.
-Изучено влияние температуры осаждения из паров Те(С2Н5)2 и Zn(C2H5)2 на скорость роста, морфологию поверхности и кристаллическое
совершенство эпитаксиальных слоев ZnTe на подложках GaAs(lll)B и GaAs(lOO). Показано, что по кристаллическому совершенству слои ZnTe(lll)B уступают слоям ZnTe(lOO). Предложен механизм роста, включающий термораспад МОС до контакта с подложкой.
-Проведено исследование влияния толщины прослойки ZnTe на качество буферных слоев CdTe/ZnTe/GaAs(lll)B и CdTe/ZnTe/GaAs(IOO). Установлено, что на подложках GaAs с ориентацией (111)В нанесение подслоя ZnTe ухудшает кристаллическое совершенство выращиваемых поверх него буферных слоев CdTe, а на подложках GaAs(lOO) тонкий слой ZnTe (25-50 А) улучшает как кристаллическое совершенство, так и морфологию поверхности слоев CdTe.
-Изучено влияние температуры осаждения из паров Zn(C2H5)2, Cd(CH3)2 и Те(С2Н5)2 на скорость роста, состав и кристаллическое совершенство слоев Cdj.yZnyTe на подложках из GaAs(lll)B и GaAs(lOO). Все исследованные параметры слоев заметно зависят от кристаллографической ориентации подложки, что указывает на существенную роль поверхностных стадий осаждения. Скорость роста твёрдого раствора Cd|.yZnyTe не является алгебраической суммой скоростей роста бинарных соединений в тех же условиях, что можно объяснить конкурирующей адсобцией цинк- и кадмий- содержащих компонентов на поверхности. Слои Cdi.yZnyTe(100) обладают лучшим кристаллическим совершенством, чем Cd|.yZnyTe(l 11)В.
-Изучена зависимость от парциального давления Hg скорости роста на подложках CdTe/GaAs и качества эпитаксиальных слоев HgTe, полученных осаждением из паров ртути и Те(і-СзН7)2. Показано, что осаждение наиболее гладких слоев с подвижностью электронов до 100 000 см /в-с (77 К) происходит при давлении ртути 2 кПа, соответствующем максимальной скорости роста.
-Проведено сравнение различных источников теллура - Те(С2Н5)2 и Те(і-СзН7)г при послойном росте КРТ. Применение менее термоустойчивого
ДИПТ увеличивает среднюю скорость роста тройного раствора с 1-2 до 6-9 мкм/час, позволяет снизить температуру зоны прекрекинга и сблизить температурные условия роста подслоев CdTe и I IgTe.
-Разработан режим послеростового отжига гетероструктур на основе CdJIgi,xTe в потоке водорода в отсутствии паров ртути, позволяющий достигнуть подвижности дырок при 77 К в материале р-типа 300-500 см2/в-с при их концентрации порядка 1016 см"3.
Практическая значимость работы.
Разработана методика химического осаждения из паров МОС и ртути эпитаксиальных слоев CdxIIgi.xTe на полу изолирующем арсениде галлия, пригодных для изготовления диодных ИК-фотоприёмников, на доступных гетероподложках из GaAs.
В НПО "Орион" из гетероструктуры Cd0,27Hg0,73Te/CdTe/GaAs(lll)B был изготовлен матричный фотодиодный приёмник формата 128x128 элементов [7]. Приёмник чувствителен к ИК-излучению в области 3-5 мкм с граничной длиной волны 5,1 мкм. Размеры площадок р-n перехода составляли 18x18 мкм. Среднее значение удельной обнаружительной способности при 200 К составило D*cp = 1,5 1010 см*гц /Вт, что является достаточным для использования ФП в диапазоне 3-5 мкм.
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты исследования закономерностей осаждения из паров Те(С2Н5)з и 2п(С2ІІ5)2 эпитаксиальных слоев ZnTe на подложках из GaAs{lll)BHGaAs(100).
Результаты исследования наличия на поверхности подложек из GaAs(lll)B и GaAs(100) прослойки ZnTe и её толщины на свойства выращиваемого поверх него буферного слоя CdTe.
Результаты исследования процесса осаждения и методика получения эпитаксиальных слоев тройного раствора Cdi_yZnyTe на подложках из GaAs(l 11)В и GaAs(lOO) из смеси паров Cd(CH3)2? Те(С2Н5)2 и Zn(C2H5)2.
Результаты исследования процесса осаждения из паров Те(І-С3Н7)2 и ртути эпитаксиальных слоев HgTe на подложках CdTe/GaAs(lll)B и CdTe/ZnTe/GaAs(100).
Методика получения гетероструктур КРТ на подложках из арсенида галлия из паров Cd(CH3)2, Te(i-C3H7)2 и ртути методом послойного осаждения чередующихся слоев HgTe и CdTe с последующим отжигом для придания материалу р-типа проводимости.
Апробация работы:
Результаты работы были представлены на XI и XII конференциях по химии высокочистых веществ (г. Нижний Новгород, 2000, 2004 гг.); на XVI и XVIII Международных конференциях по фотоэлектронике и приборам ночного видения (г. Москва, 2000, 2002 гг.); на V Российской конференции по физике полупроводников (г. Казань, 2001 г.); на III-VI, VIII Нижегородских сессиях молодых ученых (г. Дзержинск, 1998-2001, 2003 гг.); на I, II Конференциях молодых ученых-химиков г. Нижнего Новгорода (1998, 1999 гг.).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 3 статьи и тезисы 13 докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 116 стр. машинописного текста, состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка цитируемой литературы (175 наименований) и содержит 12 таблиц, 43 рисунка.
В первой главе, являющейся литературным обзором, приводятся основные физико-химические свойства теллуридов кадмия, ртути, цинка и твердого раствора CdxHgi_xTe, особенности MOCVD-метода получения слоев КРТ и его современные достижения.
Во второй главе описаны аппаратура и методика осаждения эпитаксиальных слоев, изложены результаты экспериментов по выращиванию буферных слоев ZnTe и CdTe на подложках из арсенида галлия кристаллографических ориентации (100) и (111)В.
В третьей главе приведены результаты работы по выращиванию слоев Cd[.yZnyTe на подложках из арсенида галлия (100) и (111)В, а также сравнительная характеристика буферных слоев CdTe/GaAsQll)B, CdTe/ZnTe/GaAs(100) и Cd,.yZnyTe/CdTe/ZnTe/GaAs(100).
Четвёртая глава посвящена осаждению тройного раствора CdxHgi_xTe чередованием тонких слоев HgTe и CdTe на подложках из GaAs, включая подбор условий осаждения бинарных соединений в условиях роста КРТ, послеростовой отжиг и исследования свойств полученных гетероструктур.
Основные методы получения эпитаксиальных слоев CdsHg|.xTe.
Эпитаксиальные методы дают возможность выращивать слои большой площади и сложные многослойные структуры с крутыми и сложными профилями состава и легирования.
Наиболее часто используются следующие методы получения эпитаксиальных слоев КРТ: жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), испарение-конденсация-диффузия (ИКД), молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), осаждение из паров металлоорганических соединений (MOCVD).
Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ) является наиболее развитым методом [29-34] выращивания качественных однородных пленок и многослойных структур КРТ. Достоинствами метода ЖФЭ являются большие скорости роста (несколько микрон в минуту), высокие структурное совершенство и электрофизические характеристики слоев, сравнительно простое и дешевое технологическое оборудование. Однако для ЖФЭ характерны довольно высокие температуры роста (440-500 С), что создает большие трудности с получением резких гетерограниц и многослойных структур с использованием подложек, альтернативных теллуриду кадмия. Характерным недостатком ЖФЭ являются также частые случаи террасной морфологии поверхности слоев (высота неровностей достигает десятков микрон, что вынуждает ввод в производственный цикл дополнительной операции — сошлифовывания части эпитаксиального слоя).
В методе ИКД происходит сублимация в замкнутом объеме ртутьсодержащего компонента (HgTe или КРТ) и перенос его на расположенную параллельно подложку CdTe, где за счет диффузии бинарных соединений образуется слой КРТ [35,36]. Температура роста обычно 450-600 С, т.е. сравнительно высока. Несмотря на простоту оборудования, достаточно высокую скорость роста (несколько микрон в час) и высокое кристаллическое совершенство слоев, метод ИКД имеет те же недостатки, связанные с высокой температурой роста, что и ЖФЭ, а кроме того, имеет место распределение состава по толщине.
Метод МЛЭ превосходит другие эпитаксиальные методы выращивания слоев КРТ благодаря в первую очередь низким температурам роста (150-200 С), что предотвращает диффузию примесей из подложки и снижает фоновое легирование примесями [37]. Наличие высокого вакуума в ростовой камере позволяет использовать большой набор методов исследования поверхности и газа. Этот метод предоставляет уникальные возможности выращивания сверхрешеток [38] и возможность получения наиболее сложных профилей легирования [39,40] и состава полупроводника [41]. Большое внимание уделяется эпитаксии на подложках из кремния большого диаметра [42]. Однако стоимость технологического оборудования МЛЭ в десятки раз выше стоимости оборудования для других методов эпитаксии.
Химическое осаждение из паров металлоорганических соединений (MOCVD или MOVPE) [36,43] в настоящее время считается одним из наиболее перспективных методов получения эпитаксиальных слоев теллуридов кадмия-ртути. В традиционной МОС-эпитаксии температура осаждения составляет 250-420 С, которую можно снизить до 120-130 С использованием фото- или плазмостимуляции распада МОС. В качестве подложек возможно использование различных материалов при сохранении высокого кристаллического совершенства и хорошей морфологии поверхности слоев. В едином технологическом цикле, как и в методе МЛЭ, можно получать многослойные структуры с достаточно резкими границами. Скорость роста в методе MOCVD обычно до 10 микрометров в час. Имеются широкие возможности через технологические параметры управлять скоростью роста и свойствами получаемых слоев (температура зоны предраспада МОС и зоны осаждения, парциальное давление компонентов и скорость потока, набор исходных МОС и др.). Следует отметить также такое преимущество метода MOCVD, как более высокие, чем в других методах, потенциальные возможности повышения чистоты получаемых слоев. Алкильные МОС кадмия и теллура, используемые в MOCVD -методе роста CdTe и КРТ - это легколетучие жидкости, для глубокой очистки которых могут быть применены высокоэффективные комплексные схемы, включающие дистилляционные, кристаллизационные, сорбционные и химические методы. В то же время к недостаткам метода MOCVD можно отнести токсичность и нестабильность используемых МОС. Технологическое оборудование для традиционной МОС-эпитаксии значительно дешевле, чем для МЛЭ и выпускается за рубежом серийно, в том числе установки, специально приспособленные для осаждения слоев КРТ (модель Aix-200 фирмы "Aixtron", модель Quantax 226 фирмы "MR Semicon", модель GS/2000 фирмы "EMCORE" и др.) MOCVD-технология уступает МЛЭ в широте применяемых методов контроля и исследования свойств слоев во время осаждения, однако имеется тенденция к сокращению разрыва, поскольку в MOCVD-установках все более интенсивно начинают использовать элипсометрию, различные виды спектроскопии на отражение и другие методы [44,45].
Некоторые литературные данные, характеризующие используемые в настоящее время методы получения монокристаллического CdxIIgi_xTe, приведены в табл. 2. Свойства слоев КРТ, достигаемые в настоящее время в трех основных методах их получения - ЖФЭ, МЛЭ и MOCVD -находятся примерно на одинаковом уровне.
Если рассмотреть прогресс в технологии КРТ, то можно отметить, что методы эпитаксии слоев заменили рост объёмных образцов к началу 90х, что было обусловлено разработкой высококачественных подложек для эпитаксии к тому времени. Основным методом сейчас является ЖФЭ.
Развитие газофазных методов в дальнейшем может быть связано с необходимостью изготовления сложных фотоприемных устройств на основе КРТ (создание в одном цикле многоцветных фотодиодных структур), причём метод МЛЭ имеет преимущество в создании уникальных структур, когда их стоимость не будет играть определяющей роли, а метод MOCVD будет первенствовать при выпуске серийной более дешевой продукции.
Зависимость скорости роста, кристаллического совершенства и морфологии поверхности эпитаксиальных слоев ZnTe от температуры подложки
Для нанесения эпитаксиальных слоев использовались подложки GaAs марки АГЧП с ориентацией поверхности (100)— (110) 2-4 и с ориентацией поверхности (111)В ± 0,25. Подложки подвергались химико-динамическому полированию в серно-перекисном травителе. Все операции с подложками до их помещения в реактор проводили в специализированных обеспыленных помещениях класса 100000, в химических шкафах "Лада" с вертикальным обеспыленным потоком воздуха. Переносили подложки внутри помещения в специальных закрытых кассетах. В работе использовали высокочистые ДМК, ДЭТ, ДИПТ, ДЭЦ с содержанием примесей летучих веществ ниже 10"4 % мол., примесей металлов ниже 10"6 % масс, и ртуть марки Р-10"6 с суммарным содержанием металлов ниже 10 6 % масс. (ТУ 48-14-24-83).
Подложки располагались на цилиндрическом графитовом пьедестале (1), поддерживаемом запаянной кварцевой трубкой (2), которая служила также для передачи пьедесталу вращения и для измерения температуры (Тп) проложенной внутри термопарой (рис. 7). Возможность загрузки и извлечения подложек без разборки реактора обеспечивается наличием специального устройства для загрузки-выгрузки и методикой эксплуатации реактора.
Устройство для загрузки образовано: кварцевой трубой (3), коаксиально впаянной в реактор, соединительной муфтой (4) и стаканом из нержавеющей стали (5). Внутри трубы (3) и стакана (5) свободно перемещается графитовый пьедестал, опирающийся на кварцевый держатель. К нижнему концу держателя прикреплен магнит (6), подвешенный в поле наружного кольцевого магнита (7). С помощью наружного кольцевого магнита можно передвигать пьедестал внутри реактора. При верхнем положении магнита пьедестал находится в зоне осаждения. В нижнем положении пьедестал находится напротив люка (8) для загрузки-выгрузки подложек.
В процессе осаждения слоя или отжига реактора пьедестал находится в верхнем положении. Во время проведения процессов в соединительную муфту подаётся поток чистого водорода, который препятствует попаданию летучих и пылеобразных компонентов смеси (паров llg, Cd и т.д.) в устройство для загрузки, находящееся таким образом все время в чистом состоянии. Вращение пьедестала осуществляется путём передачи на никелевый ротор (12) магнитным полем момента вращения от внешнего диска (13) с закреплёнными на нём постоянными магнитами. Диск приводится в движение электродвигателем посредством ременной передачи.
Нагрев реактора и источника ртути производится шестью независимо управляемыми резистивными нагревателями (R1-R6). Нагреватель R1 служит для поддержания заданной температуры пьедестала с подложками (Тп), а нагреватель R2 - конической части стенок реактора - температуры зоны преднагрева реакционной смеси (Тс). Остальные нагреватели необходимы для предотвращения конденсации ртути на стенках элементов реактора. Регулировка и поддержание температур отдельных зон регулировали с помощью приборов "Протерм-100" с погрешностью ±0,5 С.
В конструкции реактора была предусмотрена возможность измерения температурного профиля вдоль оси и на наружной стенке реактора. Все термопары были изготовлены из хромелевой и алюмелевой проволоки и перед установкой на реактор проверялись на соответствие градуировке ХА ГОСТ-3044,
Термопара, с помощью которой измерялась температура подложек и профиль на оси реактора (Тп на рис. 7), дополнительно калибровалась непосредственно в реакторе. Для этого с помощью нагревателя R1 медленно (1 С/мин) повышалась температура зоны пьедестала и фиксировались показания термопары, при которых происходило плавление установленных на пьедестале кусочков цинка (Т = 419,5С) и кадмия (Тпл = 320,9С). Погрешность измерения Тп и Тс не превышала ±0,5 С. Контролировалась также однородность температурного поля на поверхности пьедестала ( по времени, которое протекало между моментами плавления кусочков металла на краю и в центре пьедестала). Однородность распределения температуры по площади пьедестала была не хуже ±1 С, что согласуется с результатами расчетов авторов [149]. Важной особенностью конструкции реактора является наличие внешнего источника ртути (рис. 7), который обеспечивает длительное, в течение десятков часов, поддержание необходимого парциального давления Hg в зоне осаждения. Стабильная работа источника обеспечивается за счет постоянства температуры и уровня металлической ртути в нем. Неизменность уровня достигается за счет "циркуляции" ртути в реакторе. Для предотвращения конденсации поступающих в реактор паров ртути все поверхности реактора от источника ртути до пьедестала обогреваются. Наличие горячих стенок (Т 200С) до зоны осаждения, как будет показано далее, играет существенную роль при движении парогазовой смеси с МОС от ее ввода в реактор до пьедестала (особенно участок конуса с нагревателем R2, где сечение потока увеличивается, а линейная скорость резко уменьшается).
После очередного синтеза для удаления твердых продуктов со стенок зоны осаждения и пьедестала кварцевый реактор подвергался высокотемпературному (Т=620-640С) отжигу при пониженном давлении (Р 0,01 атм) в потоке водорода. Отжиг проводили в течении 1-3 часов до достижения полной прозрачности стенок реактора и исчезновения серого налета с пьедестала. При этом твердые продукты частично перемещались на холодные стенки в нижнюю часть реактора, частично (в виде порошка) - в охлаждаемый проточной водой приемник (10) на поверхность ртути. Длительная эксплуатация реактора показала, что наличие твердых продуктов в приемнике не препятствует свободному проникновению конденсирующейся ртути в основной резервуар источника. Периодически (после 50-60 опытов) производили разборку реактора и промывку его от твердых "возгонов".
Влияние условий осаждения на скорость роста, морфологию поверхности, структурное совершенство и состав Cdi.yZnyTe.
Основной составной частью (до 80 %) слоев КРТ является теллурид ртути, поэтому следующим этапом нашей работы было исследование закономерностей его роста.
Литературные источники сообщали о получении высококачественных слоев HgTe и КРТ как из ДЭТ, так и из ДИПТ. Однако за последнее десятилетие в эпитаксии теллурида ртути наметился переход на использование в основном ДИПТ [5,102,163], и даже ещё менее термически устойчивых алкилтеллуридов [97,164]. Низкая температура распада источника теллура позволяет снизить температуру и повысить скорость роста HgTe, В табл. 9 представлены кристаллическое совершенство, подвижность электронов при 77 К и скорость роста наших слоев HgTe, полученных в нашем реакторе с применением в качестве источника теллура ДЭТ или ДИПТ.
Видно, что слои из ДИПТ по приведённым параметрам не уступают плёнкам, полученным с использованием ДЭТ. При этом для них достигаются более высокие скорости роста и нет необходимости сильно греть стенки реактора для повышения скорости роста, что позволяет приблизить условия осаждения прослоек HgTe и CdTe к оптимальным и упростить методику получения тройного сплава.
Мы исследовали рост HgTe при различных парциальных давлениях ртути с использованием в качестве источника теллура ДИПТ. Температура пьедестала 350 С, зоны преднагрева 315 С (на рис, 7 - Тп и Тс), источника ртути 220 С, остальные газопроводы для предотвращения конденсации металлической ртути подогревались до 250 С. На Рис. 28 представлена зависимость скорости роста эпитаксиальных слоев HgTe от парциального давления ртути в процессе осаждения для парциальных давлений ДИПТ 70 и 110 Па в диапазоне давлений ртути 0,5 -5,5 кПа, Уменьшение скорости роста при больших давлениях ртути обычно связывают с конкурирующей адсорбцией атомов ртути и теллура на одних и тех же поверхностных активных центрах.
Важной характеристикой качества полупроводникового материала является подвижность носителей заряда. Максимальная подвижность электронов достигалась в эпислоях HgTe, осаждённых при давлении ДИПТ 70 и 110 Па, при давлениях ртути, превышающих 2 кПа (Рис. 29). Концентрация электронов для всех слоев HgTe составляла величины около 10,7см"3.
Однако в наших экспериментах по осаждению теллурида ртути определяющим параметром электрофизических свойств оказались не только ростовые условия, но и условия послеростового охлаждения.
Дальнейшего улучшения электрофизических параметров достигли увеличением скорости послеростового охлаждения. Наилучшие результаты для всех слоев были получены при использовании ускоренного охлаждения с использованием жидкого азота. Получены значения подвижности электронов при 77 К до 100 000 см /в-с.
Структурное совершенство оценивали по полуширине кривой качания рентгеновской дифракции и она оказалась в диапазоне 2-4 угл.мин., не проявляя выраженной зависимости от парциального давления ртути.
На рис. 30 представлены микрофотографии поверхности эпитаксиальных слоев HgTe (1П)В и (100), полученных при парциальных давлениях ртути 0,5-5 кПа. Слои с наиболее гладкой, визуально зеркальной поверхностью (даже для толстой плёнки) получены при давлении ртути 2 кПа. Для более низких и более высоких концентраций ртути поверхности хуже. Теллурид ртути, в отличие от, например, теллурида кадмия, характеризуется очень низкой прочностью связи, поэтому при эпитаксии HgTe при достаточно высокой температуре морфологию поверхности определяют два единовременно протекающих процесса - рост и испарение. Вклад этих процессов зависит от парциального давления ртути над эпислоем. Видимо, при давлении ртути 2 кПа соотношение их таково, что зародыши ростовых фигур испаряются, что приводит к формированию довольно гладкой поверхности.
Исходя из результатов проведённого исследования, выбрав в качестве основных критериев скорость роста, морфологию поверхности и электрофизические параметры, для получения гетероструктур CdHgTe/CdTe/GaAs мы выбрали режим осаждения подслоя HgTe при парциальном давлении ДИПТ 110 Па и ртути 2 кПа.
Влияние низкотемпературного отжига на электрофизические свойства гетероструктур CdTe/CdxI Igi xTe/CdTe/GaAs (111)В.
В ІІПО "Орион" разработаны и исследованы матричные фотоприемники смотрящего типа форматов 128x128 и 384x288 элементов, с использованием ЭС КРТ, выращенных методами ЖФЭ и МЛЭ [47,173-175]. Требования, предъявляемые изготовителем приборов к эпитаксиальным слоям КРТ, приведены в табл. 11.
Некоторые наши образцы были переданы для тестовых испытаний в НПО "Орион". В табл. 12 представлены результаты измерений (Ттах -максимальное пропускание, XQJ - длина волны с пропусканием 50 %). На основе слоя Cdo,27Hgo,?3Te р-типа проводимости был изготовлен матричный фотоприемник формата 128x128 для спектрального диапазона 3-г5 мкм [7]. На рис. 38 показаны микрофотографии матрицы фотодиодов и эпитаксиального слоя, из которого она была изготовлена, а на рис. 39 -топология матричного фото приемника.
Концентрация дырок при Т=77 К равнялась (5- 8)1015 см"3, подвижность - до 600 см /В с, толщина слоев 7-ь8 мкм. Размеры площадок р-п - перехода составляли 18x18 мкм, размеры индивидуальных столбчатых контактов - 20= 20 мкм. Кремниевая схема считывания сигналов была изготовлена по n-МОП технологии. Она осуществляет построчное накопление и считывание сигналов матрицы фотодиодов. Матричный фотоприёмник (МФП) предназначен для изготовления фотоприемного устройства (МФПУ) в корпусе с 4-х каскадным термоэлектрическим охладителем с рабочей температурой 195-Т-205К. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тестового элемента с размерами р-n перехода 18х 12 мкм2 при температуре Т=200 К приведена на рис. 40. Образец МФПУ М26 формата 128x128 исследовался на стенде контроля основных параметров на базе черного тела, рабочая температура которого составляла Т=500 К. Получена спектральная характеристика тестового элемента МФЧЭ 128x128 элементов при температуре Т=200 К (рис. 41).
Обнаружительная способность D , являющаяся показателем качества приемника, определяет соотношение его сигнала к шуму. На Рис. 42 приведены диаграмма и гистограмма распределения обнаружительной способности МФП. На диаграмме видны дефекты в виде полос, связанные с дефектами кремниевого МОП-мультиплексора, допустимыми для тестовых образцов.
Среднее значение удельной обнаружительной способности D при Т=200 К, составляет 1,5 Ю10 см-гц1/2/Вт. На Рис. 43 показано тестовое изображение, полученное при температуре 200К. 1. Проведено исследование особенностей осаждения эпитаксиальных слоев ZnTe из паров Те(С2Н5)2 и 7п(СгН5)2 на подложки GaAs(lll)B и GaAs(lOO). Предложен механизм роста, включающий термораспад МОС до контакта с подложкой. Показано, что по кристаллическому совершенству слои ZnTe(lOO) превосходят ZnTe(l 11)В. Нанесение тонкого слоя ZnTe (25-50 А) на подложки GaAs(lOO) улучшает кристаллическое совершенство и морфологию выращиваемых поверх него буферных слоев CdTe. На подложках GaAs(Ill)B промежуточный слой ZnTe ухудшает качество CdTe. 2. Изучено влияние температуры осаждения из паров Zn(C2H5)2, Cd(CH3)2 и Те(СгН5)2 на скорость роста, состав и кристаллическое совершенство слоев Cd.yZnyTe на подложках из GaAs(Ill)B и GaAs(lOO). Все исследованные параметры слоев заметно зависят от кристаллографической ориентации подложки, что указывает на существенную роль поверхностных стадий осаждения. Скорость роста твёрдого раствора Cd[.yZnyTe не является алгебраической суммой скоростей роста бинарных соединений в тех же условиях, что можно объяснить конкурирующей адсобцией цинк- и кадмий- содержащих компонентов на поверхности. Слои Cdt.yZnyTe(100) обладают лучшим кристаллическим совершенством, чем Cdi_yZnyTe(l 11)В. 3. Изучена зависимость от парциального давления Hg скорости роста и качества эпитаксиальных слоев HgTe, полученных осаждением из паров ртути и Te(i-C3H7)2. Показано, что осаждение наиболее гладких слоев с подвижностью электронов до 100 000 см/вс (77 К) происходит при давлении ртути 2 кПа, соответствующем максимальной скорости роста. 4. Проведено сравнение различных источников теллура - Те(С2Н5)2 и Те(і-СзН7)г при послойном росте CdxHgi.xTe. Применение менее термоустойчивого ДИПТ увеличивает среднюю скорость роста тройного раствора с 1-2 до 6-9 мкм/час, позволяет снизить температуру зоны прекрекинга и сблизить температурные условия роста подслоев CdTe и HgTe. Па подложках из полуизолирующего GaAs из паров Hg, Te(i-C3H7)2 и Cd(CH3)2 получены гетероструктуры CdTe/CdxHg[.xTe/CdTe/GaAs составов от х=0,2 до 0,4 с неоднородностью состава по площади 2 см Дх=±0,0025 и полушириной кривой качания рентгеновской дифракции 2-4 угл. мин.. 5. Разработан режим послеростового отжига гетероструктур в потоке водорода, позволяющий достигнуть в CdxHgt_xTe р-типа проводимости подвижности дырок при 77 К 300-500 см /в-с при их концентрации (0,5-5)-1016 см"3, что находится на уровне лучших литературных данных. Из образца CdTe/Cd0,27Hgo,73Te/CdTe/GaAs в НПО "Орион" был изготовлен матричный фотоприемник формата 128x128 элементов для спектрального диапазона З-г-5 мкм. Среднее значение удельной обнаружительной способности D при Т=200 К достаточно для использования фотоприёмника в диапазоне 3-5 мкм и составляет 1,5 1010 Вт -см-Гц"2.
