Фотоприемники на основе твердого раствора кадмий-ртуть-телур (КРТ) (стр. 6 из 9)

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 ºС. 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.

Если температура роста для МЛЭ ниже 200 °С, то для метода ГФЭ на металлорганических соединениях она составляет -350 °С, что затрудняет управление легированием полупроводника р-типа проводимости в процессе выращивания из-за формирования вакансий ртути при более высоких температурах роста. As является наиболее предпочтительной легирующей примесью для пленок р-типа, в то время как индий более предпочтителен для получения слоев n-типа. Основные проблемы этих двух методов: образование двойников, требование очень хорошей подготовки поверхности, предшествующей росту, неуправляемое легирование полупроводника, высокие значения концентрации дислокаций и наличие неоднородностей состава. Имеет место постоянное повышение качества пленок, выращиваемых методом неравновесной эпитаксии.

Для уменьшения нежелательных эффектов из-за разности на 19.3% в постоянных кристаллической решетки вводятся буферные слои между HgCdTe и Si. Ранее нанесение буферных слоев CdZnTe на подложках на основе Si было связано с подложками GaAs/Si. Использование тройных буферных слоев CdZnTe позволило достигнуть улучшения морфологии поверхности HgCdTe. К сожалению, межфазный слой GaAs повышает стоимость первоначальной подложки и представляет опасность примесного загрязнения при использовании детектора. В настоящее время для жидкофазных структур на основе HgCdTe (001) используются подложки CdZnTe/ZnTe/Si (001), выращенные методом МЛЭ. В то же время, как и для слоев на основе HgCdTe, выращенных методом МЛЭ, больше внимания уделяется подложкам Si (112) В. Ориентация (112) В предпочтительна из-за ее устойчивости к образованию двойников, a также совместимости с химическим легированием р-типа As. Продемонстрированы изготовленные технологией РАСЕ-3 большие (640 х 480) матрицы фокальной плоскости, структурно выполненные в четырех квадрантах с прямой инжекцией и непосредственным считыванием в канале, высокоскоростные, с архитектурой переключателей на основе полевых транзисторов. Ранее МФП того же формата были созданы с помощью технологии эпитаксии из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (МОСГФЭ) для получения альтернативных подложек CdZnTe/GaAs/Si и последующего выращивания р-п двухслойных гетеропереходов (ДСГП) на основе HgCdTe методом жидкофазной эпитаксии из Hg-расплава с контролируемым легированием.

Среди эпитаксиальных методов жидкофазная эпитаксия является наиболее развитым методом выращивания качественных однородных пленок и многослойных структур. Как следует из диаграмм состояния, выращивание методом жидкофазной эпитаксии происходит из псевдобинарных HgTe-обогащенных, Те- и Hg-обогащенных растворов. Первый подход в настоящее время не имеет никакого практического значения, главным образом, потому что требуются высокая температура порядка 700 °С и высокое (>10 атм.) давление ртути. Рост из Те-обогащенного раствора (420–500 °С), как и рост из Hg-обогащенного раствора (400–500 °С), с равным успехом использовался в различных конфигурациях. Рост из Те-раствора происходит при самом низком давлении ртути (=0.1 атм.). Основной трудностью являются окончательное удаление Те-обогащенного расплава с выращенных слоев и адаптация технологии для промышленных потребностей. Подобных проблем не возникает при выращивании из Hg-обогащенных растворов. Еще одним важным преимуществом этого подхода является легкость, с которой нужные примеси могут быть внедрены в Hg-обогащенные растворы. В отличие от метода выращивания из Те-обогащенных растворов, состав растущих слоев может быть радикально изменен в результате обеднения расплава Cd из-за низкой растворимости CdTe в Hg-обогащенных растворах. Этот недостаток был преодолен при помощи так называемого метода выращивания «неограниченный расплав». Термин «неограниченный расплав» предполагает использование расплава очень большого объема (>2 кг), в котором сохраняются постоянными температура и состав в течение всего процесса плавления. Совершенные нелегированные и преднамеренно легированные жидкофазные слои выращивались на подложках CdTe, CdZnTe, CdTeSe и гибридных подложках. Была продемонстрирована высокая однородность состава для х = 0.223 ± 0.001 по площади в пределах от 43 до 54 см². При управлении воспроизводимостью состава х = 0.226 ± 0.0033 при многократном выращивании (~200) достигается производительность >8000 см². Постоянными проблемами при выращивании методом ЖФЭ являются частые случаи террасной поверхностной морфологии, резкость границы раздела и относительно высокая плотность дефектов несоответствия и линейных дислокаций.

Выращивание из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (МОСГФЭ) – неравновесный метод, который представляется наиболее перспективным для будущего крупномасштабного и дешевого производства эпитаксиальных слоев. Главные преимущества его – невысокая температура роста и возможность изменения условий роста в процессе выращивания для получения заданной ширины запрещенной зоны и профилей легирования полупроводника. Невысокая температура осаждения позволяет использовать гораздо большее число видов подложек по сравнению с жидкофазной эпитаксией. МОСГФЭ наиболее часто используется для производства гибридных подложек для Hg_1-xCd_xTe. Особенность метода состоит в том, что в эпитаксиальном реакторе создается высокотемпературная зона, в которую поступает газовая смесь, содержащая разлагаемое соединение. В этой зоне протекает реакция и происходит выделение и осаждение вещества на подложке, а газообразные продукты реакции уносятся потоком газа-носителя.

1.6 Приборы на основе КРТ

Краткая справка.

В 1959 г. началось развитие исследований твердых растворов Hg_1-xCd_xTe (HgCdTe) с переменной шириной запрещенной зоны, предоставляющих широкие возможности для создания ИК-детекторов. Технологии выращивания HgCdTe развивались и продолжают развиваться, прежде всего, для военных применений. Требование секретности значительно замедляло сотрудничество среди исследовательских групп на национальном и особенно на международном уровне. Основное внимание привлекало создание матрицы фокальной плоскости (МФП), и намного меньше внимания уделялось исследованиям. Однако более чем за три десятилетия произошел значительный прогресс. В настоящее время HgCdTe является наиболее широко используемым полупроводником с переменной шириной запрещенной зоны для создания ИК-фотодетекторов.

Сначала рассмотрим принцип действия ИК-детекторов в общем.

ИК-детекторы.

В детекторах класса фотоприёмников излучение поглощается внутри материала в результате взаимодействия с электронами, связанными с атомами решётки или с примесными атомами, а также со свободными электронами. Наблюдаемый выходной сигнал обусловлен изменением энергетического распределения электронов. Фотонные детекторы (фотоприёмники) обладают селективной спектральной зависимостью фотоотклика при одинаковой мощности падающего излучения, обеспечивают хорошие пороговые характеристики и высокое быстродействие. Но для достижения этого требуется охлаждение фотоприёмников до криогенных температур. Фотоприёмники, длинноволновая граница которых 3 мкм, обычно охлаждены. Охлаждение необходимо для уменьшения тепловой генерации носителей заряда. Тепловые переходы конкурируют с оптическими, что приводит к большому шуму в неохлаждённых приборах.

Таблица 2. Типы полупроводниковых фотоприёмников

Тип	Переходы	Тип электрического выходного сигнала	Примеры
Собственные	Межзонные	Фотопроводящий	PbS, PbSe, InSb, CdHgTe
		Фотовольтаический	InSb, InAs, PbTe, CdHgTe, PbSnTe
		Емкость	InSb, CdHgTe
		ФЭМ	InSb, CdHgTe
Примесные	Примесь-зона	Фотопроводящий	Si: In, Si: Ga, Ge: Cu, Ge: Hg
На свободных носителях	Внутризонные	Фотопроводящий	InSb электронный болометр

В зависимости от природы взаимодействия класс фотоприемников подразделяется на различные типы. Наиболее важные из них: