WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1 УДК 621.315.592 Легирование эпитаксиальных слоев и гетероструктур на основе HgCdTe Об з о р © К.Д. Мынбаев¶, В.И. Иванов-Омский Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получен 27 апреля 2005 г. Принят к печати 28 апреля 2005 г.) Приводится обзор литературы по легированию эпитаксиальных слоев твердых растворов HgCdTe и гетероструктур на их основе. Анализируются основные изменения в технологии легирования HgCdTe, произошедшие при переходе от приборных структур, изготовленных на основе объемного материала, к структурам на основе эпитаксиальных пленок. Рассмотрена специфика легирования эпитаксиальных слоев HgCdTe при выращивании их методами жидкофазной эпитаксии, газофазной эпитаксии с использованием металлорганических соединений и молекулярно-пучковой эпитаксии. Проведен анализ электрических свойств легированного материала. Кратко анализируются современные представления о собственных дефектах в HgCdTe и их влиянии на свойства этого материала.

PACS: 61.72.Ss, 61.72.Yx, 66.30.Tt, 66.30.Lw, 68.55.Ln 1. Введение их основе. Это потребовало пересмотра подходов к легированию в свете развития современных методов Технология твердых растворов HgCdTe (КРТ), являвыращивания и послеростовой обработки, и в первую ющихся одним из основных материалов инфракрасной очередь молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ).1 Меоптоэлектроники, продолжает развиваться и совершентодики легирования и принципы управления электричествоваться. Это связано как с постоянным спросом на скими и физическими свойствами тонких ЭС отличаются этот материал для военных и коммерческих применений, от тех, что использовались ранее при легировании так и с уникальными свойствами КРТ, позволяющими объемного материала. Так, на первой стадии переход использовать структуры на квантовых ямах на его к ЭС существенно ограничил температурный диапазон, основе для изучения физических эффектов и явлений, в котором проводилось легирование, из-за диффузии таких как квантовый эффект Холла, спин-орбитальное компонентов и примесей из подложки в слой. ЭС КРТ, и расщепление и т. п. [1–3].

тем более многослойные структуры, по этой причине Исследование легирования твердых растворов КРТ стали легировать при температуре не выше 500C.

всегда шло параллельно с изучением поведения собОдновременно стал происходить частичный отказ от исственных дефектов в этом материале. Последние ввиду пользования примесей, имевших высокие коэффициенты малой энергии образования в существенной степени диффузии — прежде всего элементов I группы (Cu, Ag, определяют электрические, оптические и другие свойAu). Эти тенденции были отмечены в последнем обзоре ства КРТ. Этому факту давно было найдено практичепо легированию КРТ, который опубликован в 1996 г. [5].

ское применение. Вчастности, известно, что КРТp-типа В дальнейшем, из-за все более уменьшавшейся толщины проводимости может быть получен за счет генерации в ЭС и соответственно все более жестких требований нем термообработкой вакансий ртути, причем конценк величине коэффициентов диффузии даже при оттрация их может быть изменена в широких пределах — носительно низких (180-200C) температурах МПЭ, от 1015 до 1018 см-3 (такой материал стали называть для легирования ЭС акцепторными примесями перешли вакансионно-легированным). При примесном легировапочти исключительно к элементам V группы (As, N).

нии КРТ в качестве донорных примесей традиционно Поскольку эти примеси являются амфотерными в ЭС, использовались элементы III и VII группы — In и I.

выращенных из Te-угла фазовой диаграммы, для их Акцепторными примесями служили элементы I группы, активации пришлось разрабатывать специальные схемы замещающие атомы подрешетки металла (Li, Cu, Ag отжига, которые будут подробно рассмотрены далее.

и Au), и элементы V группы, замещающие атомы в Сходная тенденция сложилась при разработке донорного подрешетке халькогена (Sb, P). Обзор ранних трудов по легирования ЭС, выращиваемых методами газофазной легированию КРТ может быть найден в работе [4].

эпитаксии с использованием металлорганических соедиЗа последние десятилетия в технологии КРТ пронений (ГФЭ МОС2). В силу высокого коэффициента изошли существенные изменения, вызванные прежде В русскоязычной литературе также распространен термин „молевсего переходом от использования объемного материала кулярно-лучевая эпитаксия“ (МЛЭ).

к эпитаксиальным слоям (ЭС) и гетероструктурам на В русскоязычной литературе используется также аббревиатура ¶ E-mail: mynkad@mail.ioffe.ru МОПФЭ — металлорганическая парофазная эпитаксия.

1 4 К.Д. Мынбаев, В.И. Иванов-Омский диффузии индия и так называемого „эффекта памяти“ 2. Легирование эпитаксиальных при эпитаксии с использованием металлорганических слоев КРТ донорными примесями соединений эта примесь в КРТ, изготовленном методом ГФЭ МОС, уступила место йоду.

2.1. Легирование индием и галлием Ввиду особенностей ЭС, выращиваемых методом МПЭ, а также ужесточения требований к чистоте при- На сегодняшний день индий является наиболее борных структур легирование стало в основном про- хорошо изученной и широко применяемой донорводиться in situ. Существенные изменения произошли ной примесью для КРТ. В диапазоне концентраций в технологии легирования при разработке (кроме тра- 1015-1017 см-3 все введенные в КРТ атомы In, как диционно использовавшихся n+-p-переходов) структур правило, оказываются на 100% электрически активными типа p-n-, n-p-n- и других, еще более сложных.

и являются однозарядными донорами как примесь замеМожно отметить также и тенденцию к замене традищения в подрешетке катиона [5]. In обладает высокой ционного „вакансионного“ легирования для получения растворимостью в КРТ (до 1021 см-3 и даже выше), и на материала p-типа проводимости примесным легироваранних этапах легирования КРТ, когда использовались нием, обусловленную сложившимся в последние гоуровни легирования 1018 см-3 и более, существовали ды мнением о нестабильности собственных дефектов проблемы с электрической активацией этой примеси.

в КРТ [6]. Кроме того, в настоящее время считаетКонцентрация электронов в легированном материале ся установленным, что при вакансионном легировании n-типа оказывалась существенно меньше концентрации КРТ происходит образование глубоких уровней, ковведенных атомов In (CIn). Для объяснения малой электорые, являясь центрами рекомбинации Шокли–Рида, трической активности In в основном использовались две уменьшают время жизни неосновных носителей заряидеи. Первая предполагала, что снижение электрической да. Аналогично проявилась тенденция к использованию активности In происходит из-за образования соединений легированного материала n-типа проводимости вместо индия с теллуром (InTe или In2Te3) [13–15]. Вторая нелегированого КРТ n-типа там, где требуется материал рассматривала самокомпенсацию индия собственными с низкой ( 1014-1015 см-3) концентрацией электроточечными дефектами [16–18]. Существовали также поднов. С развитием МПЭ стало ясно, что возможности ходы, учитывавшие оба эти фактора [13,19], а также контроля над концентрацией носителей, обусловленных предполагавшие, что только часть атомов In в решетке собственными дефектами, существенно меньше, чем при электрически активна [20].

легировании примесями. Одновременно происходит и В той или иной степени каждая из этих моделей ревизия статуса собственных дефектов в КРТ в связи с подтверждалась конкретными экспериментальными данновыми результатами, полученными при его выращивании методом МПЭ, и использованием низкоэнергетиче- ными (в том числе и по образованию теллуридов ской ионной обработки для управления его свойствами. индия). Сходная ситуация складывалась и при попытке В частности, появились свидетельства о существенном обобщить данные по диффузии In в КРТ; здесь таквлиянии на свойства КРТ антиструктурных дефектов, же наблюдался очень большой разброс в значениях а также новые данные о взаимодействии примесей с коэффициента дифузии D и энергии активации. Это собственными дефектами на различных стадиях роста и породило множество моделей диффузии In, предполапостростовой обработки.

гавших самые различные механизмы его миграции в Отметим, что на пути полной интерпретации накопКРТ [17,20–22]. Вероятнее всего, большая часть этих ленных результатов стоят не только различия в качестве различий все же должна быть отнесена на счет суи свойствах КРТ, получаемого разными методами и для щественной разницы в качестве исходных материалов разных целей, но и различие в механизмах встраивана ранних стадиях технологии КРТ [21]. Этот факния атомов в кристаллическую решетку при выращитор проявлялся, например, в скорости конверсии типа вании КРТ различными методами. Типичный пример проводимости при отжиге ЭС и объемных кристалпредставляют слои, полученные методами жидкофазной лов КРТ в парах ртути [23]. Нельзя сказать, чтобы эпитаксии (ЖФЭ) и МПЭ [7]. Кроме того, наметившаэти противоречия были окончательно разрешены, но яся тенденция к выращиванию КРТ гетероэпитаксией с совершенствованием технологии КРТ и переходом (в частности, на подложках GaAs и Si с буферными на ЭС, легированные умеренно и in situ, проблеслоями CdTe и(или) CdZnTe) также требует определенма слабой электрической активности индия в КРТ ных оговорок при анализе полученных данных. Тем не при сильном легировании несколько утратила актуменее авторы считают полезным попытку дать общую альность.

картину современного состояния проблемы примесей и Данные последнего времени по легированию КРТ их взаимодействия с собственными дефектами в ЭС КРТ.

индием обобщены в табл. 1. На рис. 1 представлены Оговоримся, что сильно неравновесные условия легироданные по электрической активности In в ЭС, полученвания, возникающие, например, при ионной имплантаных методом ЖФЭ (символы 1, 2). Для сравнения также ции, останутся за рамками нашего рассмотрения. Для приведены современные данные по легированию моноанализа последних достижений в этой области читателю могут быть рекомендованы оригинальные исследования, кристаллов КРТ [25] и данные классической работы [13] например [8–12]. (символы 3 и 4 соответственно). Видно, что при невыФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Легирование эпитаксиальных слоев и гетероструктур на основе HgCdTe... Таблица 1. Сводка данных по легированию эпитаксиальных слоев КРТ индием, рассматриваемых в обзоре Метод роста Подложка Состав x Источник примеси Диапазон легирования, см-3 Ссылка ЖФЭ CdTe 0.2, 0.3 Ge2S3 : In (4-8) · 1018 [16,21] ЖФЭ CdTe 0.22-0.25 Пары In 1018-1021 [22] ЖФЭ CdZnTe 0.20-0.23 Ростовое легирование 5 · 1014-1017 [24] Кристаллизация - 0.2 Ростовое легирование 1015-1017 [25] с подпиткой из твердой фазы (слитки) МПЭ CdZnTe 0.4-0.85 Слой HgCdTe : In (CIn=1018 см-3) < 1018 [17] ЖФЭ CdTe 0.20-0.52 Пары In 5 · 1019-5 · 1021 [26] соких уровнях легирования электрическая активность легирования 500C и давления паров Hg 3 атм. Они In (отношение n77/CIn, n77 — концентрация электронов показали, что при CIn < 1020 см-3 эта примесь присутпри 77 K) практически равна единице. При низких уров- ствует в кристалле главным образом как изолированный нях легирования (< 5 · 1015 см-3) и монокристаллах ска- атом и исключительно в подрешетке катиона. Важным зывается влияние неконтролируемых доноров (см. сим- результатом расчетов является резкое возрастание в волы 3). В свою очередь при уровнях легирования свыше сильно легированном кристалле концентрации вакансий 5 · 1017 см-3 электрическая активность In в КРТ падает (кривая 8), это подтверждает справедливость модели (см. символы 1, 4). Расчетная кривая 5, которая, как самокомпенсации In. Кроме того, расчеты [28] показали видно из рисунка, хорошо описывает приведенные экспевозможность существования нейтрального комплекса риментальные результаты 1, была получена в работе [16] VHg-InHg, в который связывается, однако, менее одного для температуры легирования 360C в рамках модели процента от всего введенного In. Этот комплекс, по мнесамокомпенсации In простыми собственными дефектами нию авторов [28], хотя и слабо влиял на электрическую акцепторного типа (вакансиями Hg — см. кривую 6). Эта активность In, но должен был играть существенную модель учитывала взаимосвязь концентрации примеси роль при диффузии этой примеси. Это предположение и точечных дефектов через уравнение электронейтральнашло экспериментальное подтверждение в работе [17], ности:

где было проведено сравнение диффузии In в ЭС КРТ n + 2[VHg] =p +[In• ], (1) Hg (x = 0.45-0.80) в вакууме и насыщенных парах ртути.

где использованы обозначения Крегера [27]. Это уравнение с учетом связи концентрации дефектов с энергией Ферми выглядело следующим образом:

NCF1/2(EF/kT) +2[VHg ] exp 2(EF - EF0)/kT = NV F1/2 (-Eg - EF)/kT +[In• ], (2) Hg где NC и NV — плотность состояний в зонах проводимости и валентной соответственно, Eg — ширина запрещенной зоны, F1/2 — функция Ферми соответствующего индекса, EF — энергия Ферми, EF0 и [VHg ] — энергия Ферми и концентрация вакансий в нелегированном кристалле КРТ при температуре легирования.

Таким образом, было показано, что в условиях насыщения Hg в КРТ весь растворенный In находился в электрически активном состоянии, а расхождение между величинами CIn и n77 при высоких уровнях легироваРис. 1. Электрическая активность индия в эпитаксиальных ния объяснялось компенсацией примеси собственными слоях КРТ: 1–4 — экспериментальные данные по зависиакцепторными дефектами. На рис. 1 также представмости концентрации электронов при 77 K (n77) от конценлены результаты расчетной зависимости концентрации трации индия, 1 — [16], 2 — [24], 3 — [25], 4 — [13];

электронов и вакансий ртути от уровня легирования 5–7 — расчетные данные по концентрации электронов или индием КРТ с x 0.2 (кривые 7 и 8) из работы [28].

дефектов: 5 — n77 [16], 6 —2[VHg]633 K [16], 7 — n77 [28], Расчеты были выполнены ab initio для температуры 8 — [VHg]773 K [28], 9 — [InHg].

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 6 К.Д. Мынбаев, В.И. Иванов-Омский На рис. 3 представлено отношение максимальной концентрации кадмия [Cd]max (см. рис. 2) в обогащенном этим элементом слое к его содержанию в области постоянного состава ЭС до легирования [Cd]x в зависимости от величины CIn, выраженной в ат%. Здесь же приведена зависимость от CIn отношения концентрации ртути на поверхности [Hg]min к содержанию этого элемента в области постоянного состава ЭС [Hg]x. Видно, что с увеличением CIn величина [Cd]max/[Cd]x линейно возрастает, а [Hg]min/[Hg]x уменьшается. Отметим, что данные тенденции оказались справедливыми для ЭС всех исследованных составов, т. е. [Cd]max/[Cd]x и [Hg]min/[Hg]x зависели только от CIn, но не от величины x.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.