Фотоприемники на основе твердого раствора кадмий-ртуть-телур (КРТ) (стр. 4 из 9)
е=104(8.754х-1.044)-1см2/(В•с). (14)Значения подвижности дырок при комнатной температуре изменяются в диапазоне от 40 до 80 см2/(В • с), температурные зависимости относительно слабы. Дырочная подвижность при температуре 77 К на порядок выше, чем при комнатной температуре. При моделировании фотоприемников ИК-излучения обычно полагают, что дырочная подвижность вычисляется при предположении, что отношение подвижностей электрона и дырки b= me/mhпостоянна и равна 100.
Оптические свойства
Оптические свойства HgCdTe исследованы, главным образом, при значениях энергии порядка ширины запрещенной зоны. Коэффициент поглощения при оптической генерации носителей может быть рассчитан в рамках модели Кейна, включая сдвиг Мосса–Бурштейна. Легирование полупроводника примесью р-типа увеличивает поглощение благодаря снижению заполнения зоны.
До сих пор появляются значительные несоответствия между известными данными относительно значений коэффициента поглощения. Это вызвано различными концентрациями собственных дефектов и примесей, неравномерным составом и легированием, неоднородностью толщины образцов, механическими деформациями и различными способами обработки поверхности. В высококачественных образцах измеренное поглощение в коротковолновой области спектра находится в хорошем согласии с рассчитанным по модели Кейна, в то время как на длинноволновой границе появляется экспоненциальный хвост. Наличие хвостов зон увеличивается из-за собственных точечных дефектов, примесей и других нарушений в кристалле:
см-1, (15)где Е выражено в электрон-вольтах, Т – в Кельвинах, Т0 = 81.9,
Е0= -0.3424 + 1.838x + 0.148x2,
=3.267 х 104(1 + х) и 
0 = exp(53.61x– 18.88). Наилучшее согласие с моделью Кейна достигается в области Eg = E( = 500 см-1). Точка перехода между областью, описываемой моделью Кейна, и экспоненциальным хвостом при температуре 300 К находится при t = 100 + 5000x. Значительное поглощение HgCdTe ниже границ поглощения может быть связано с внутризонными переходами как в зоне проводимости, так и в валентной зоне, а также с переходами между подзонами валентной зоны.Измерение поглощения является, возможно, наиболее общим стандартным методом для определения состава и его распределения в объемных кристаллах и эпитаксиальных слоях. Как правило, для толстых (>0.1 мм) образцов используется уровень поглощения 0.5 или 1% для верхней граничной длины волны, для более тонких образцов – различные методы.
Состав эпитаксиальных слоев обычно определяется из значения длины волны, соответствующей половине максимального пропускания 0.5Тmах. Определение состава может быть затруднено наличием градиента состава по толщине. Измерения коэффициента отражения в ультрафиолетовом и видимом спектрах также используются для определения состава, особенно для характеризации поверхностной области при глубине проникновения 10–30 нм.
Местонахождение ширины запрещенной зоны Egобычно измеряется по положению максимума коэффициента отражения, а состав рассчитывается из экспериментального выражения
E1= 2.087 + 0.7109x + 0.1421x2+ 0.3623x3. (16)
Сильно влияют на свойства КРТ легирующие примеси
Легирующие примеси
1.5 Выращивание объемных кристаллов КРТ и получение тонких эпитаксиальных слоев КРТ
Для 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 HgCdTeнеобходимо 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 кристаллы
В 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.