Фотоприемники на основе твердого раствора кадмий-ртуть-телур (КРТ) (стр. 5 из 9)
Метод Бриджмена-Стокбаргера
Этот 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 слои
Объемный 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 CdZnTeтолщиной несколько микрон, полученная неравновесным методом выращивания, обычно осаждением из паровой Фазы. Эта технология относится к так называемой РАСЕ (forProducibleAlternativetoCdTeforEpitaxy), 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 структур
Метод 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 – 10-8¸10-10 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.