Введение к работе
Актуальность темы.
Перспективным направлением развития ИК-микроФото-электроники является создание многоэлемгнтных и матричных Фотоприемников (МФП) на основе Фотодиодов из узкозонного твердого раствора кадмий-ртуть-теллур (КРТ), чувствительных к тепловому излучению в окнах прозрачности атмосферы: 3-6 и 0-14 мкм.
Важнейшим параметром полупроводникового материала, определяющим возможность создания приборов на его основе, является время жизни неосновных носителей заряда (ННЗ). Он определяет в диодах не только фоточувствительность, но и обратный темновой ток и, следовательно, иумы.
Однако экспериментальное исследование температурных зависимостей времени жизни ННЗ в р- Cdx пОг.уЛЪ . с целью получения сведений о его рекомбинационных свойствах, оказывается сложной задачей. Во-первых, в материале исследуемого состава (0.2 < х < 0.3) велика концентрация равновесных носителей заряда. Во-вторых, в .силу того, что оптические переходы в КРТ являются прямыми,имеет место резкая зависимость коэффициента поглощения от длины волны излучения вблизи
длинноволнового края, и высокое значение коэффициента погло-
k -І щения в собственной полосе (оС ~ 10 см ). В-третьнх, отсутствие надежной, быстродействующей, высокочувствительной аппаратуры для проведения измерений при криогенных текпера-ратура х.
Цель работы.
Диссертационная работа посвящена исследованию времени жизни неосновных носителей заряда в КРТ р-гипа в широком интервале температур^ фонового излучения и уровня возбухдв-'
-4-ния, с целью определения рекомбинационных свойств исследуемых полупроводниковых материалов.
Конкретными задачами диссертационной работы были:
разработка методики исследования времени жизни неосновных носителей заряда в L^V "Я-.<.-у.'е р-типа проводимости в вироком интервале температур;
создание установки для исследования кинетики Фотопроводимости ' в монокристаллах и элитаксиалькых . слоях См гкг. Те . в широком интервале времен и Фонового излучения ( от 1 до 160 при Т ~300 К) в интервале температур
? 10-300 К ;
- исследование рекомбинационных свойств монокристаллов
и эпитаксиальных слоев ("^v.^vJ-w-v-T^ р-типа проводимости
в вироком интервале температур и фоновых засветок.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Проведен расчет влияния поверхностной рекомбинации на кинетику фотопроводимости в объемных монокристаллах КРТ. Установлены количественные соотношения между Фотопроводимостью монокристаллов КРТ, с определенными параметрами ННЗ в объеме полупроводника с заданной скоростью поверхностной рекомбинации, и характеристиками возбуждающего оптического излучения. Результаты расчета подтверждены экспериментально.
Кз температурных измерений времени жизни ННЗ в КРТ Р-типа, пригодного для изготовления высококачественных Фотодиодов, проведенных в интервале температур 10 -300 К, установлено, что доминирующим механизмом рекомбинации является рекомбинация Шокли-Рида. Оценены энергетические уровни основных рекомбинационных центров в запрещенной зоне.
- Впервые обнаружено заполнение рекомбинационых
центров в монокристаллах КРТ р-типа (х*0.3) при высоком
уровне импульсного оптического возбуждения и связанная с
этим нелинейная рекомбинация избыточных носителей.
- Из экспериментальных данных зависимости нестационарной Фотопроводимости от уровня возбуждения оценена концентрация центров рекомбинации, а также эффективное поперечное сечение захвата неосновных носителей в монокристаллах КРТ р-типа состава х»0.3.
Показано, что изменение фонового излучения в пределах Ф - 10 т 10 Фотон./(с*см ) не оказывает заметного влияния на время жизни избыточных, носителей в исследованных монокристаллах и эпитаксиальных слоях КРТ.
Установлена взаимосвязь между параметрами неосновных носителей в исходных монокристаллах Се/^ ПО. .,,^ 7ё и электрофизическими характеристиками р-п- переходов, созданных имплантацией ионов В в объемный материал р-типа (х»0.3). Показано, что пожученные п -р- переходы могут быть описаны классической теорией резкого р-п- перехода с учетом генерации-рекомбинации на центрах Шокли-Рида в слое пространственного заряда.
Практическая ценность работы заключается в разработке методик и измерительных установок для исследования времени жизни ННЗ в КРТ и статических характеристик приборов на его основе. Полученные в работе экспериментальные данные позволили выявить основные рекомбина-ционные механизмы и получить конкретные данные по временам жизни ННЗ в КРТ р-типа проводимости. Это позволяет прогнозировать предельно достижимые параметры ИК-Фото-
приемников на основе исследованного полупроводникового материала и наметить пути дальнейшего улучшения электрофизических параметров исходных кристаллов узкозонного твердого раствора ^у ^5-^- '6 На защиту выносятся:
-
Совокупность теоретических и экспериментальных результатов, доказывающих возможность корректного измерения объемного времени жизни НИЗ по кинетике фотопроводимости в монокристаллах С""-, "lO-, _,Те. р-типа при поверхностном возбуждении сильнопоглощаемым излучением с учетом поверхностной рекомбинации.
-
Температурные зависимости времени жизни ННЗ в исследованных монокристаллах и эпитаксиальных слоях КРТ Р-типа для состава х«0.2 объясняются преобладающим механизмом рекомбинации Шокли-Рида в интервале температур 10 < Г < 200 К и оже-рекомбинацией при 200 < Т < 300 К. Для образцов состава к&О.Э механизм рекомбинации Шокли-Рида является доминирующим во всем интервале исследования: 10 < Т < 300 К.
-
Экспериментальное доказательство возможности заполнения рекомбинационных центров в монокристаллах W-. ПО., ..Те
р-типа (х«0.3) при высоком уровне импульсного оптического
го . , возбуждения (1^^3*10 Фотон./(с*см )). Изменение Фонового
излучения в пределах Ф~10 -г 10 фотон./(с*см) не оказывает
заметного влияния на время жизни избыточных носителей в
исследованных монокристаллах КРТ (х»0.2 и х«0.3).
4. Свойства п-р- переходов, полученных имплантацией
ионов В в объемный материал CM\. ^--хТ1^ f-tnna. (хаО.З),
могут быть описаны классической теорией резкого р-п- перехода
-7-с учетом генерации-рекомбинации на центрах Иокли-Рида в слое пространственного заряда с измеренным эффективным значением времени жизни носителей заряда.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались на
VIII Всесоюзном симпозиуме по пожупроводникаи с узкгч запрещенной зоной и полуметаллам (Львов-1989),
XIV Научно-техническом совещании по фотоэлектрическим полупроводниковым и тепловым приемникам излучения (Москва-1991),
конференциях МФТИ, а также на научных семинарах 1'ПО "Орион".
Публикации. По результатам диссертации опубликованы 4 печатные работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы иэ 84 наименований. Общий объем -103 страницы, 26 рисунков, 2 таблицы.