Фотоприемники на основе твердого раствора кадмий-ртуть-телур (КРТ) 
i>E1 = 2.087 + 0.7109x + 0.1421x 2+ 0.3623x3. (16)Сильно влияют на свойства КРТ легирующие примесиЛегирующие примеси1.5 Выращивание объемных кристаллов КРТ и получение тонких эпитаксиальных слоев КРТДля производства ИК-фотодетекторов с высокими характеристиками необходим высококачественный полупроводниковый материал. Основными требованиями, предъявляемыми к материалу, являются: низкая концентрация дефектов, большой размер пластин, однородность и воспроизводимость собственных и примесных свойств материала. Постоянно прогрессируя, производство HgCdTe развивалось от метода выращивания объемных кристаллов из расплава при высокой температуре к методам низкотемпературной жидкофазной эпитаксии и эпитаксии из паровой фазы. Однако стоимость и доступность высококачественного HgCdTe большой площади все еще являются сдерживающими факторами при производстве фотоприемников.Для успешного производства HgCdTe необходимо фундаментальное понимание термодинамики и химии твердого тела.Обобщенная модель раствора оказалась успешной для объяснения экспериментальных данных и предсказывает диаграмму состояния полной Hg-Cd-Te системы. Предполагалось, что жидкая фаза - это смесь Hg, Те, Cd, HgTe и CdTe. Газовая фаза материала содержит атомы Hg, Cd и молекулы Те2. Состав твердотельного материала может быть описан обобщенной формулой(Hg1-xCdx)1-yTey. Обычная формула Hg1-xCdxTe соответствует псевдобинарному соединению CdTe и HgTe (у=0.5) с полной взаимной растворимостью. Предполагается, что псевдобинарная фазовая область со структурой цинковой обманки в Hg1-xCdxTe расширена в область обогащенного Те материала с шириной порядка 1%. Ширина уменьшается при понижении температуры. Следствием подобной формы диаграммы является наличие включений теллура. Излишек теллура из-за вакансий в металлической подрешетке приводит к тому, что чистый материал обладает проводимостью р-типа. Отжиг при низкой температуре (200-300 К) уменьшает концентрацию собственных дефектов (преимущественно акцепторов) и образует неконтролируемый (преимущественно донорный) примесный фон.Большинство проблем в процессе выращивания кристаллов обусловлены разностью между кривыми солидуса и ликвидуса, приводящей к сегрегации бинарных соединений во время кристаллизации из расплава. Поверхностная сегрегация - это явление изменения состава, структуры и свойств поверхностных слоев атомов вещества в конденсированном состоянии, то есть в твердом или жидком состояниях. Причина поверхностной сегрегации - резкое изменение атомной структуры (уменьшение числа соседних атомов) в поверхности по сравнению с объемом. Вместе с тем у поверхностных атомов остается стремление к достижению минимума свободной энергии. Поэтому явление поверхностной сегрегации охватывает и ряд других явлений: поверхностные реконструкции, релаксации, поверхностные фазы. Коэффициент сегрегации для процесса выращивания из расплава зависит от давления ртути. Серьезные проблемы возникают также при высоких давлениях ртути над псевдобинарным расплавом. Слабая Hg-Te связь приводит к низкой энергии активации дефектообразования и миграции атомов Hg в матрице. Это может вызывать объемную и поверхностную нестабильность. Однако указанные трудности были систематически преодолены в течение последних трех десятилетий. Объемные кристаллыВ настоящее время наиболее часто для изготовления высококачественных материалов используется выращивание объемных кристаллов из жидкой фазы. Этот метод применялся главным образом для изготовления одноэлементных фоторезисторов n-типа, матриц и SPRITE-детекторов для первого поколения систем тепловидения и обнаружения. Фотоприемник SPRITE (Signal Processing In The Element). Иногда его называют по имени изобретателя - TED (Tom Elliot Detector). В ФПУ (Фотоприемное устройство) SPRITE задержка и суммирование принимаемых сигналов происходит внутри самого чувствительного элемента. Это исключает необходимость в электронных схемах, обычно применяемых в линейных системах ФПУ. Это упрощает процесс обработки сигналов. По сравнению с традиционными ФПУ SPRITE-детектор имеет малое количество проводников на входе и выходе. Это упрощает систему охлаждения. Кроме того, SPRITE-детектор характеризуется упрощенной схемой задержки и суммирования сигналов. Однако SPRITE-детектор требует специфического блока развертки изображения. В нем используется сканирующая зеркальная призма, грани которой выполнены под определенным углом к оси ее вращения. Из объемного материала создаются высоконадежные детекторы для космоса, а также для коммерческих систем типа ИК-спектрометров. Хорошая однородность, отличные электрические свойства (концентрация носителей <1014 см-3), высокая подвижность и большие времена жизни неосновных носителей заряда являются стандартными характеристиками поставляемых в продажу материалов. Стоимость качественного материала все еще высока и зависит от состава, легирования полупроводника и диапазона характеристик.При выращивании объемных кристаллов для массового производства материала используется ряд методов. Выращивание включает в себя также возможность зонной очистки и перегонку первоначальных ингредиентов. Как следует из диаграммы состояния, во время кристаллизации из расплава имеет место сильная сегрегация, которая снижается при быстром охлаждении. Поэтому традиционными методами выращивания из расплава типа стандартного метода Бриджмена производятся кристаллы с большими продольными и осевыми отклонениями состава, которые являются препятствием для получения качественных материалов. Улучшенный процесс выращивания Бриджмена-Стокбаргера и метод ускоренного вращения тигля (ACRT) все еще используются для обеспечения достаточного объема производства матричных детекторов.Метод Бриджмена-СтокбаргераЭтот метод уже старый, практически не применяемый. Заключается в том, что через печь, имеющую неравномерное распределение температуры по длине, протягивается ампула с материалом (возможна неподвижная ампула и движущаяся печь). Ампула имеет заостренный конец для исключения образования большого числа зародышей.Другой вариант реализации конструкции - ампула с «перетяжкой», через которую прорастает только зародыш одного кристаллографического направления. Метод прост и экономичен (рис. 5.). Рис.5 Выращивание по методу Бриджмена-Стокбаргера: а - ампула с заостренным концом; б - аппаратурная реализация метода; в-распределение температуры по длине печи. Еще одним методом выращивания однородных и высококачественных кристаллов является метод «закалки-отжига» (также называемый модифицированным методом Бриджмена и методом твердотельной рекристаллизации (ТТР)). При выращивании данным методом слиток заданного состава синтезируется, расплавляется и закаляется. Затем полученная мелкозернистая дендритовая масса отжигается при температуре ниже температуры ликвидуса в течение нескольких недель, для того чтобы кристалл рекристаллизовался и гомогенизировался. Предложены различные пути улучшения процесса, включая отжиг при температурном градиенте и медленное остывание для предотвращения преципитации теллура. Для регулировки концентрации собственных дефектов материалу обычно требуется низкотемпературный отжиг. Кристаллы могут быть также однородно легированы введением легирующих примесей в слиток. Метод «закалки-отжига» имеет некоторые недостатки. Поскольку сегрегации не происходит, все примеси, имеющиеся в слитке, замораживаются в кристалле, поэтому требуются высокочистые исходные элементы. Максимальный диаметр слитков ограничен приблизительно 1.5 см, так как для подавления сегрегации в слитках большого диаметра необходима слишком низкая скорость охлаждения. Кристаллы содержат дефекты типа малых угловых границ. Относительно однородные и совершенные кристаллы могут быть выращены в таких системах, в которых обеднение расплава в широкозонном бинарном материале компенсируется постоянным пополнением из твердотельных «слаш» (slush) частиц, взвешенных в верхней части расплава. Большие и однородные кристаллы диаметром до ~5 см можно вырастить, используя зонную плавку. Температуру роста можно существенно снизить, используя рост кристаллов из обогащенных (Те) расплавов. Одна из успешных реализаций этого метода - метод движущегося нагревателя, который объединяет преимущества роста из растворов при низкой температуре с ростом при равновесных условиях, как в методе зонной плавки. Выращивание этим методом кристаллов отличного качества происходит с низкой скоростью роста. Эпитаксиальные слоиОбъемный материал на основе HgCdTe в значительной степени непригоден для более высокотехнологичных применений из-за дефектов материала, включая малоугловые границы зерен и области высокой концентрации дислокаций. Эпитаксиальные методы выращивания HgCdTe, по сравнению с объемными методами, дают возможность выращивать эпитаксиальные слои большой площади (=30 см2) и сложные многослойные структуры с крутыми и сложными профилями состава и профилями легирования полупроводника, необходимые для достижения высоких рабочих характеристик фотодетекторов. Рост происходит при низких температурах, что позволяет уменьшить плотность собственных дефектов. Благодаря низкому давлению ртути не требуется толстостенных ампул, а рост может быть проведен в стандартных системах промышленного типа. Выращенные таким образом эпитаксиальные слои могут быть отожжены при низкой температуре. Эпитаксиальные слои можно использовать для фоторезисторов без ненадежного и отнимающего много времени процесса уменьшения толщины.Все эпитаксиальные методы связаны с общей проблемой - потребностью в дешевых подложках большой площади, которые структурно, химически, оптически и механически согласованы с полупроводниками на основе Hg. До настоящего времени не найдено подложки, которая бы удовлетворяла одновременно всем требованиям. CdTe и тройные соединения с близко согласованными решетками из семейства Cd-Zn-Te, Cd-Te-Se и Cd-Mn-Te наиболее часто используются в качестве подложек. Они применяются при выращивании эпитаксиальных слоев с параметрами, соответствующими качеству объемных кристаллов. Подложки обычно выращиваются модифицированным вертикальным и горизонтальным методом Бриджмена без затравки. Метод горизонтальной направленной кристаллизации Бриджмена (рис. 6.).В этом методе используется заранее выращенная монокристаллическая затравка. Процесс происходит в атмосфере водорода или инертного газа.Структурное совершенство кристаллов, получаемых этим методом, выше, чем в вертикальном варианте - открытая поверхность уменьшает механические напряжения. Перемещается либо печь относительно реактора (как на рис. 6.), либо ампула в реакторе. На заводе «Сапфир» этим методом сейчас выращивают, например, сапфир для подложек.Рис. 6. а) Направленная кристаллизация по методу Бриджмена: 1 - монокристаллическая затравка; 2 - печь; 3 - лодочка; 4 - реактор;б) График изменения температуры по длине слитка.Обычно используются ориентации (111) и (100). Ограниченный размер, проблемы чистоты, преципитация теллура, концентрация дислокаций, разброс постоянных решеток и высокая цена - проблемы, требующие своего решения. Предполагается, что такие подложки будут востребованы в течение длительного времени, особенно для детекторов с самыми высокими рабочими характеристиками. В случае выращивания эпитаксиальных слоев HgCdTe на подложках CdZnTe размер матриц фокальной плоскости ограничен 8x8 мм.Перспективный подход для получения дешевых подложек - применение гибридных подложек, которые представляют собой многослойные структуры, состоящие из пластин объемного кристалла, закрытых буферными слоями с согласованной решеткой. Объемные полупроводниковые материалы Si, GaAs, InSb, InP и сапфир являются высококачественными, дешевыми и легкодоступными кристаллами, которые в этом случае можно использовать. В качестве буферных слоев наносится пленка CdZnTe толщиной несколько микрон, полученная неравновесным методом выращивания, обычно осаждением из паровой Фазы. Эта технология относится к так называемой РАСЕ (for Producible Alternative to CdTe for Epitaxy), т.е. эпитаксиальная технология на подложках, альтернативных CdTe. Поглощение сапфиром в ИК-области ограничивает использование РАСЕ-1 (CdTe/сапфир) для матриц фокальной плоскости до длин волн <5.5 мкм. Для диапазона длин волн 8-12 мкм длинноволновой области ИК-излучения разработана технология РАСЕ-2 для производства детекторов, изготавливаемых на подложках из арсенида галлия (GaAs). Поскольку GaAs имеет коэффициент теплового расширения, сравнимый с коэффициентом теплового расширения CdTe, матрицы фокальной плоскости, полученные методом РАСЕ-2, будут иметь те же ограничения размера, как и гибридные матрицы фокальной плоскости на основе CdTe, если не используются схемы считывания на основе GaAs. Однако включение слоев GaAs может приводить к загрязнению Ga пленок соединений А2В6, а также к нежелательному повышению стоимости и сложности процесса. Для увеличения размеров матриц предлагаются два подхода. В первом матрица HgCdTe формируется на Si подложке, которая потом соединяется индием с Si интегральной микросхемой считывания. Во втором она монолитно интегрирована со схемой считывания путем выращивания эпитаксиальных слоев непосредственно на подложке считывающего устройства. Для обоих подходов методика молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) наиболее предпочтительна благодаря лучшему контролю над толщиной слоя и низкой температуре процесса.В настоящее время наиболее интенсивные исследования проводятся по разработке молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Рис.8 Схема установки для выращивания гетероэпитаксиальных структур КРТ методом МЛЭ. 1-ламинарный бокс 2-подложка с носителем 3-модуль загрузки подложек 4-модуль подготовки поверхности подложек 5-модуль выращивания буферных слоев 6-накопительная камера 7-модуль выращивания слоев КРТ 8-встроенный автоматический эллипсометр 9-модуль выгрузки эпитаксиальных структурМетод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Является развитием метода вакуумного напыления. Отличается тем, что в рабочем объеме создаются независимые молекулярные потоки основного и легирующего компонентов. Метод в последнее время получил широкое развитие благодаря получению тонких и сверхтонких слоев п/п, в том числе сложного состава с контролируемой структурой и составом. Вакуум - 10-810-10 Па. Независимое регулирование Т1, Т2 и Т3 позволяет регулировать интенсивность испарения компонентов и т.о. управлять составом молекулярных потоков. Температура подложки определяет величину коэффициента конденсации (прилипания) атомов каждого компонента к подложке.Наличие глубокого вакуума в установке позволяет оперативно контролировать условия осаждения и качество получаемых слоев непосредственно в процессе их осаждения. Современные установки представляют собой сложные системы с масс-спектрометрами для анализа газовой среды, Оже-спектрометрами для анализа состава получаемых слоев, а также для исследований используют спектроскопию вторичных ионов, дифракцию медленных и быстрых электронов.Рис.9. Схема молекулярно-лучевой установки: 1 - ячейка Кнудсена; 2 - механическая заслонка; 3 - азотный экран; 4 - водоохлаждаемый экран; 5 - подвижная цилиндрическая заслонка; 6 - пушка дифрактометра быстрых электронов; 7 - Оже-спектрометр с цилиндрическим энергоанализатором; 8 - ионная пушка; 9 - энергетический фильтр; 10 - квадрупольный масс-спектрометр; 11 - дифрактометр медленных электронов; 12 - поворотный карусельный держатель; 13 - флуоресцентный экран дифрактометра быстрых электронов; 14 - встроенный сублимационный титановый насос; 15 - корпус модуля испарительных ячеек. Рис. 10. Схема реактора для МЛЭ кремния (прямое наращивание кремния на подложке): 1-экран; 2-основа с водяным охлаждением; 3-нить накала источника; 4-электронный пучок; 5-электростатический экран (-V); 6-твердый кремний; 7-расплавленный кремний; 8-пары кремния; 9-держатель подложки; 10-кремниевая подложка; 11-нить подогрева подложки; 12-электронный пучок.Сущность процесса состоит в испарении п/п вещества и одной или нескольких легирующих примесей. Низкое давление паров п/п и легирующих примесей гарантирует их конденсацию на относительно холодной подложке.
Обычно МЛЭ проводят в сверхвысоком вакууме при давлении 10-6 - 10-8 Па. Температурный диапазон составляет 400 - 800 єС. Технически возможно применение и более высоких температур, но это приводит к увеличению автолегирования и диффузии примеси из подложки. Этот метод предоставляет уникальные возможности при создании материала и разработке приемников, в том числе самую низкую температуру роста, выращивание сверхрешеток и возможность получения наиболее сложных профилей легирования и состава полупроводника. Большие успехи достигнуты в устранении дефектов, контроле роста и легирования полупроводника, а также в создании ИК электрооптических приборов. Быстрое улучшение качества приемников с прецизионно управляемой архитектурой убедило исследователей в превосходстве молекулярно-лучевой эпитаксии над жидкофазной эпитаксией. Основной недостаток МЛЭ - высокая стоимость оборудования и обслуживания.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|
|
