Термостимулированные процессы на глубоких уровнях в полупроводниках и гетероструктурах на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, доктор технических наук Коровин, Александр Павлович

• Коровин, Александр Павлович
• доктор технических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор технических наук Коровин, Александр Павлович

Введение

1, Теория методов тфмостимулирования

1.1. Метод термосгимулированного тока

1.2. ТСТ в случае активации фотопроводимости

1.3. Некоторые особенности метода ТСТ при исследовании низкоомных материалов

1.4. Метод термостимулированной ЭДС на р-п переходе

1.5. Метод термосгимулированного разряда конденсатора (ТРК) 40 1.5.1. Определение параметров центров захвата на кривых ТРК 44 1.52. Сечение захвата ловушек

1.5.3. Концентрация заполненных ловушек

1.5.4. Зависимость и(Т)

1.5.5. Метод ТРК с большой дополнительной ёмкостью 53 Выводы к главе

2. Физические свойства кремния и структур на его основе 58 2.1. Электрофизические свойства эпитаксиальных слоев кремния, легированных магнием, галлием, висмутом и таганом

2.1.1. Исследованные образцы

2.1.2. Подготовка контактов

2.1.3. Электрофизические свойства гомоэпитаксиальных слоев кремния, легированных магнием

2.1.4. Исследование электрофизических свойств эпитаксиальнош кремния, легированного галлием

2.1.5. Электрофизические свойства эпитаксиальнош кремния, легированного титаном

2.1.6. Электрофизические свойства эпитаксиальнош кремния, легированного висмутом

2.1.7. Обсуждение результатов

22. Глубокие центры захвата в эпитаксиальных слоях кремния, легированных в процесс выращивания магнием, галлием, висмутом и титаном

Выводы к главе

3. Физические свойства гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфире

3.1. Электрофизические сюйстш гетероэпитаксиальных слоев КНС

3.1.1. Методика проведения эксперимента

3.12. Контроль электрофизических параметров субмикронных слоев КНС

3.1.3. Электрофизические свойства гетероэпитаксиальных слоев КНС со стабилизированной поверхностью

3.1.4. Электрофизические свойства гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфире (КНС) п-типа проводимости, неопжигавшихся и подвергнутых высокотемпературному отжигу в атмосферах аргона и кислорода

3.1.4.1. Приготовление образцов

3.1.4.2. Электрофизические свойства неогожжённых образцов КНС п-типа проводимости

3.1.4.3. Электрофизические свойства образцов КНС п-типа проводимости, отожжённых в атмосфере кислорода

3.1.4.4. Электрофизические свойства образцов КНС п-типа проводимости, отожжённых в атмосфере аргона

3.1.4.5. Обсуждение результатов

3.1.5. Влияние термической обработки на электрические параметры субмикронных слоёв кремния на сапфире

3.2. Параметры глубоких центров захвата структур КНС, полученные методом термостимулированного разряда конденсатора (ТРК)

3.2.1. Параметры глубоких центров захвата в слоях КНС со стабилизированной поверхностью с толщиной слоя кремния 0,6 мкм

3.2.1.1. Спектры тока ТРК образцов КНС, полученных щдридным методом

3.2.1.2. Спектры тока ТРК образцов КНС, полученных хлорид-гидридным методом слоев КНС

3.2.2. Исследование параметров глубоких центров захвата n-типа проводимости, неотжигавшихся и подвергнутых высокотемпературному отжигу в атмосфере аргона и кислорода

322.1. Спектры тока ТРК неотожжённых образцов КНС n-типа проводимости 143 3222. Спектры ТРК образцов КНС, подвергнутых высокотемпературному отжигу в атмосферах аргона и кислорода

322.3. Обсуждение результатов 146 32.3. Параметры глубоких центров захвата в гетероэттитаксиальных слоях КНС с толщиной эпитаксиального слоя кремния 0,1 и 0,3 мкм

32.3.1. Исследованные образцы

32.32. Спектр тока ТРК гетероэпитаксиальных слоев КНС с толщиной эпитаксиального слоя кремния 0,1 и 0,3 мкм, неотжигавшихся и подвергнутых

ВЫ 1 IT Л низкотемпературному лазерному и сокотемпературному отжигу

3.2.3.3. Спектр тока ТРК слоев КНС с толщиной эпитаксиального слоя кремния

ОД и 0,3 мкм, подвергнутый у-облучению

3.2.3.4. Спектр тока ТРК слоев КНС с толщиной эпитаксиального слоя кремния

ОД и 0,3 мкм, подвергнутых облучению нейтронами

32.3.5. Обсуждение результатов

Выводы к главе

4. Физические свойства арсенида гаштия и структур на его основе

4.1. Физические свойства полуизолирующих образцов арсенида галлия, компенсированного хромом

4.2. Параметры глубоких центров захвата в полуизолирующем арсениде галлия, легированном хромом

4.2.1. Спектры термосгимулированного тока

4.2.2. Спектры тока ТРК 193 42.3. Обсуждение результатов

4.3. Параметры глубоких центров захвата в эпитаксиальных слоях арсенида галлия

4.4. Глубокие центры захвата в структурах на основе арсенида галлия

4.4.1. Параметры глубоких центров захвата в многослойных структурах на основе арсенида галлия, используемых в СВЧ полевых транзисторах

4.5. Глубокие центры захвата в высокоомном арсениде галлия, используемом для создания преобразователей ИК диапазона

Выводы к главе

5. Физические свойства JnP

5.1. Электрофизические свойства полуизолирующего слоя JnP

5.2. Физические свойства ионнолегированных слоев JnP

5.3. Исследование физических свойств эпитаксиальных слоев JnP

5.4. Определение параметров глубоких центров захвата методами тфмостимулированного тока и термостимулированного разряда конденсатора в компенсированном железом JnP

5.4.1. Измерения ТСТ

5.42. Измерения ТРК

5.4.3. Обсуждение результатов

5.5. Определение параметров глубоких центров захвата в эпитаксиальных слоях JnP

Выводы к главе

6. Исследование параметров глубоких центров захвата в теллуриде кадмия и твёрдом растворе Cd \ ^Z^Te

6.1. Исследование глубоких центров захвата в монокристаштических образцах

CdTe, легированных Al в процессе зонной кристализации 266 62. Исследование глубоких центров захвата в монокристаллических образцах теллурида кадмия, легированного хлором 271 6.3. Исследование глубоких центров захвата в твёрдом растворе ZnxCd| xTe(Cl)

Выводы к главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Термостимулированные процессы на глубоких уровнях в полупроводниках и гетероструктурах на их основе»

Развитие электронной техники, в особенности оптоэлектроники, микро- и наноэлектроники, в настоящее время определяется развитием физики и техники полупроводников. Наличие примесей, образующих в запрещенной зоне полупроводника глубокие энергетические уровни, играет весьма существенную роль в работе полупроводниковых приборов. Влияние глубоких уровней обусловлено тем, что они могут являться: - центрами излучательной и безызлучательной рекомбинации; центрами прилипания свободных носителей заряда; центрами, несущими электрический заряд; центрами, способными захватывать или отдавать носители заряда посредством туннельного эффекта, как из разрешенных зон, так и с других локальных уровней.

Проявления влияния глубоких центров захвата на энергетические, оптические, люминесцентные, фотоэлектрические, резонансные и другие физические свойства полупроводников весьма многочисленны и разнообразны.

Известно, например, что легирование арсенида галлия хромом и кислородом приводит к появлению в запрещенной зоне глубоких энергетических уровней, обуславливающих высокое удельное сопротивление, что позволяет использовать этот материал в качестве диэлектрической подложки в интегральных схемах.

Поскольку глубокие уровни могут быть центрами излучательной рекомбинации, они могут выступать в качестве основного канала рекомбинации и определять спектр излучения светодиодов.

Глубокие уровни могут оказывать влияние на величину внешнего квантового выхода люминесценции. Известно, например, что введение алюминия и кислорода в карбид кремния, повышает эффективность примесной электролюминесценции, а наличие глубоких примесей в фосфиде галлия уменьшает внешний квантовый выход красных светоизлучающих диодов до 15% и зеленых до 0,7%.

Наличие глубоких центров накладывает ограничения на область использования полупроводниковых приборов, уменьшая время жизни неосновных носителей заряда, вызывая увеличение токов утечки, шумов транзисторов. В частности, наличие глубоких центров приводит к резкому увеличению низкочастотного шума в МДП КНС транзисторах при достижении обедненной областью границы с подложкой.

Необходимость экспериментального изучения примесей и дефектов определяется тем, что до настоящего времени полупроводниковые материалы содержат большое количество неконтролируемых примесей и дефектов решетки, а также тем, что еще не создано теории, позволяющей рассчитывать параметры примесных центров.

Для создания приборов используются новые полупроводниковые материалы, в том числе, и со сложным составом (соединения А3В5 и А2Вб, твердые растворы на их основе, гетероэпитаксиальные слои кремния на изолирующей подложке), технология изготовления которых существенно сложнее и поэтому в них не достигнута чистота, достигнутая в традиционных полупроводниках. Таким образом, исследование глубоких центров в этих материалах является особенно важной и актуальной задачей.

Среди экспериментальных методов, предложенных для изучения глубоких центров ( фотопроводимость, эффект Холла, емкостная спектроскопия и т.д.) в настоящее время широко используются методы термостимулирования, имеющие целый ряд достоинств: в экспериментальном отношении методы термостимулирования достаточно просты и не требуют применения дорогостоящего оборудования; в теоретическом отношении они достаточно обоснованны; методами термостимулирования определяются энергетическое положение, сечение захвата и концентрация локальных уровней в запрещенной зоне полупроводника, причем могут быть изучены уровни д любой природы, независимо от того связаны ли они с примесными атомами и дефектами кристаллической структуры или с комплексами, включающими и то и другое. Методами термостимулирования могут быть исследованы как донорные, так и акцепторные уровни, играющие роль как уровней прилипания, так и уровней рекомбинации; методы термостимулирования позволяют во многих случаях изучать уровни, которые не поддаются изучению другими методами; методы термостимулирования позволяют изучать уровни как в однородном материале, так и в готовых приборах, что важно, поскольку неконтролируемые примеси часто появляются в процессе изготовления приборов; методы термостимулирования особенно эффективны при изучении глубоких неконтролируемых примесей, поскольку они имеют чувствительность, слабо зависящую от глубины уровня и соотношения концентраций, и позволяют разделить практически любые уровни, независимо от природы, и определить их основные кинетические параметры; метод термостимулирования является неразрушающим методом. Поскольку вид кривых термостимулирования воспроизводится при воспроизведении условий эксперимента, этим методом можно получить достоверную и весьма детальную информацию об объекте исследования.

Таким образом, общефизический и практический интерес к изучению глубоких центров в полупроводниковых соединениях определяет актуальность темы диссертационной работы.

Цель работы: разработка высокочувствительной методики измерения параметров глубоких центров в полупроводниковых структурах и исследование возможности ее применения для контроля параметров материала при производстве полупроводниковых приборов на основе гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфире, а также полупроводниковых соединений группы А3В5 и А2В6.

Для достижения этой цели в работе предполагалось:

1. Провести анализ известных модификаций метода термостимулирования с целью выявления наиболее эффективных модификаций для создания надежной и эффективной методики определения параметров уровней в соединениях А3В5 и А2В6и гетероэпитаксиальных слоях КНС.

2. Исследовать экспериментально параметры глубоких центров захвата в кремнии и в гетероэпитаксиальных слоях кремния на сапфире ( КНС ) с толщиной слоя кремния 0,6 - 0,3 и 0.1 мкм.

3. Изучить влияние ряда внешних воздействующих факторов (отжига, радиационной обработки, лазерной обработки и др.) на электрофизические параметры и параметры глубоких центров захвата в гетероэпитаксиальных слоях КНС.

4. Исследовать электрофизические параметры и параметры глубоких центров захвата в соединениях группы А3В5 - монокристаллическом арсениде галлия и фосфиде индия, а также в эпитаксиальных и ионнолегированных слоях на их основе.

5. Исследовать параметры глубоких центров захвата в многослойных структурах на основе арсенида галлия. Определить локализацию полученных центров захвата.

6. Экспериментально исследовать электрофизические параметры глубоких центров захвата в образцах соединений группы А2В6 - теллуриде кадмия и твердом растворе цинк-кадмий-теллур, используемых для создания радиационных детекторов.

7. Разработать методика измерения электрофизических параметров гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфире с толщиной слоя кремния 0,6 мкм.

8. На основе полученных при исследованиях значений электрофизических параметров и параметров центров захвата в полупроводниковых соединениях группы А3В5 данных разработать методики отбора материалов для изготовления рентгеновских и у-детекторов, а также для других полупроводниковых приборов.

Научная новизна полученных результатов.

1. Предложена новая методика исследования полупроводниковых структур, включающая: комплексное измерение электрофизических параметров и параметров глубоких центров захвата методами термостимулирования (ТСТ и ТРК) на одном образце; использование современной аппаратуры при измерения спектров тока ТСТ и ТРК; применение комбинированного возбуждения (оптическое возбуждение и электрическое поле) в процессе зарядки конденсатора при проведении измерений методом ТРК; измерение в схеме с большой дополнительной емкостью; высокоточная методика обработки результатов измерений. Это позволило повысить чувствительность определения параметров глубоких центров захвата (минимальное значение наблюдаемой концентрации глубоких центров захвата находится на уровне ~ 108 см"3, что на несколько порядков ниже обычно наблюдаемых величин).

2. Разработанная методика позволила выявить в полупроводниковых структурах новые физические эффекты, связанные с глубокими центрами.

2.1. Впервые показано, что в кремнии, выращенном на сапфировой подложке с толщиной слоя кремния 0,1; 0,3 и 0,6 мкм имеются доминирующие рекомбинационные центры, обладающие большими значениями сечения захвата (10~15- 10"16 см2), уровни которых располагаются вблизи середины запрещенной зоны (Ес -0,55эВ; Еу +0,55эВ; Ес -0,48эВ; Еу +0,46эВ), концентрация которых практически не меняется при различных видах обработки (высокотемпературный отжиг, у-облучение и облучение быстрыми нейтронами, низкотемпературный лазерный отжиг), что указывает на единую природу соответствующих центров, связанных, по-видимому, со структурными дефектами, образующимися в процессе гетероэпитаксии.

2.2. Впервые экспериментально исследовано влияние внешних воздействующих факторов (высокотемпературного отжига в инертной атмосфере, низкотемпературного лазерного отжига, у облучения и облучения быстрыми нейтронами) на параметры глубоких центров захвата в гетероэпитаксиальных слоях кремния на сапфире с толщиной слоя кремния

0.1 и 0.3 мкм, предполагаемых к использованию в БИС КНС; установлено, что дефекты кристаллической решетки, обусловленные низкотемпературным лазерным отжигом, высокотемпературной и радиационной обработкой приводят к образованию дополнительных рекомбинационных центров, некоторые из которых имеют достаточно

15 3 высокие концентрации (больше 10 см" ) и большие сечения захвата (81 ~

15 IV 2 ю- - Ю"1' см ), что приводит к заметным изменениям электрофизических характеристик материала.

2.3. Показано, что концентрация глубоких центров в слоях кремния на сапфире с толщиной слоя кремния 0.1 мкм более, чем на порядок превышает аналогичную концентрацию в образцах КНС с толщиной кремния 0.3 мкм.

2.4. Установлено, что концентрация глубоких центров захвата в структурах КНС с толщиной слоя кремния 0.1 мкм сопоставима с концентрацией легирующей примеси (ТЧг>1015 см"3), поэтому обнаруженные центры могут снижать подвижность носителей заряда в КНС и являться причиной аномальных токов утечки в БИС КМОП КНС на этом материале.

2.5. Исследовано влияние легирования в процессе выращивания эпитаксиальных слоев кремния висмутом, галлием, магнием и титаном. Показано, что легирование магнием, титаном и висмутом приводит к получению материала с электронным типом проводимости, галлием- с дырочным; в р-81(Оа) обнаружен глубокий акцепторный рекомбинационный уровень с энергией активации 0,32эВ, отсчитанной от дна зоны проводимости, и с сечением захвата 5 10"15 см2 и акцепторный уровень с энергией активации 0,48 - 0,55 эВ, отсчитанной от потолка валентной зоны

С л ис сечением захвата 4 10" см . Кроме того, для всех исследованых образцов

18 19 2 наблюдаются донорные уровни Ес-(0,38- 0,41) эВ, 81 ~ 10" - 10" см ; Ес-(0,34- 0,36) эВ, ~ 10"23 см2 и акцепторные уровни Еу + (0,39-0,40) эВ, ^ ~ 10"18 см2; +0,32 эВ, ~ 10"24 см2, наличие которых определяется природой подложки и не связано с легированием материала.

2.6. Показано, что с увеличением плотности поверхностных дефектов в многослойных структурах ьп"-п-п+ арсенида галлия, используемых в СВЧ полевых транзисторах, концентрация глубоких центров захвата увеличивается более, чем на порядок.

2.7. Показано, что в специально нелегированных эпитаксиальных пленках фосфида индия р-типа проводимости, полученных хлоридно-гидридным

1 с л методом, концентрация глубоких центров захвата превышает 10 см" , что на 1-2 порядка больше концентрации глубоких центров в пленках п-типа, чем объясняется низкое значение подвижности носителей заряда в этих образцах.

Практическая значимость результатов работы

1. Разработанная методика измерения параметров глубоких центров позволяет осуществить контроль полупроводниковых пластин и эпитаксиальных структур и провести анализ технологии для получения новых полупроводниковых приборов. Методы термостимулирования обладают высокой точностью, могут быть использованы для любых полупроводниковых материалов, менее трудоемки и требуют меньших затрат, чем другие известные методы исследования монокристаллов (нейтроноактивационный анализ, оптическая спектроскопия).

2. Разработаны требования и методика контроля концентрации носителей заряда в структуре КНС с толщиной эпитаксиального слоя 0,6 мкм в соответствии с ЕТО 035.373 ТУ, обеспечивающие разработку и выпуск радиационно-стойких КМОП БИС. Методика контроля концентрации носителей заряда включена и в технические условия на структуры КНС с толщиной слоя кремния 0,3 мкм для нового поколения интегральных схем.

3. Показано, что кратковременная низкотемпературная обработка КМОП схем на КНС приводит к уменьшению концентрации дефектов и экстракции неконтролируемых примесей по механизму внутреннего геттерирования, что увеличивает подвижность носителей заряда и уменьшает токи утечки более, чем на порядок.

4. Выработаны критерии отбора подложек арсенида галлия для преобразователей изображения в области длин волн X > 1,1 мкм.

5. Предложен метод получения эпитаксиальных структур фосфида индия п-типа проводимости с низкой концентрацией дефектов хлоридно-гидридным методом без введения легирующих примесей.

6. Для получения эпитаксиальных структур с малым временем жизни неосновных носителей заряда для мощных полупроводниковых приборов достаточно легировать пленку кремния галлием (для получения р-типа) или висмутом (п-типа) и не использовать легирование золотом.

7. Установлено, что для получения высоких транспортных параметров детекторов ионизирующих излучений на основе теллурида кадмия, легированного хлором((цт+)п ~ 7-10"4 - 2 10"3 см2/В, (цх+)р ~ 1-2-10"4 см /В), требуется уменьшение концентрации глубоких центров захвата с энергией активации 0,6эВ до величин< Ю10 см"3. Получение монокристаллов теллурида кадмия с низкой концентрацией дефектов может быть достигнуто применением специальной технологии выращивания слитков. Основные характеристики технологии описаны в настоящей диссертации.

8. Выбрана технология получения слитков твердого раствора ZnCdTe с низкой концентрацией глубоких центров захвата (<Ю10 см"3) для получения детекторов ионизирующего излучения нового класса.

9. Методы контроля параметров эпитаксиальных структур и полупроводниковых подложек защищены 5 авторскими свидетельствами на изобретения.

Краткое содержание работы.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Коровин, Александр Павлович

Выводы к главе 5

1. Исследованы электрофизические свойства монокристаллических образцов фосфида индия, компенсированные железом в процессе выращивания. Исследованы как неотожженные образцы, так и образцы, подвергнутые высокотемпературному отжигу в атмосфере водорода в интервале температур от 600 до 800 °С в течение 15 минут.

2. Показано, что с повышением температуры отжига наблюдается возрастание удельной электропроводности и концентрации носителей заряда, особенно заметное при температурах отжига больше 750 °С. При температуре отжига 800 °С электропроводность увеличивается более чем на 3 порядка по сравнению с образцами, отожженными при температуре 725 °С.

3. Путем сравнения параметров образцов с протравленным поверхностным слоем (-10 мкм) и без травления показано, что отжиг влияет только на поверхностный слой фосфида индия.

4. Показана недостаточная эффективность защиты поверхности от эрозии с помощью двухслойного диэлектрического покрытия (0,1 мкм нитрида кремния и 0,3 мкм фосфоросиликатного стекла) при температурах отжига >750 °С.

5. Исследованы электрофизические свойства ионно-легированных слоев фосфида индия, полученных методом внедрения ионов кремния и подвергнутых высокотемпературному отжигу при тех же режимах, что и отжиг исходных образцов полуизолирующего фосфида индия.

6. Показано, что концентрация носителей заряда (электронов) непрерывно возрастает при увеличении температуры отжига до 700 °С, затем практически не меняется в интервале 700 - 750 °С и резко увеличивается при дальнейшем повышении температур отжига.

7. Увеличение коэффициента активации примеси (выше 100%) при температурах отжига выше 750 °С обусловлено изменением приповерхностных свойств исходного полу изолирующего InP. Следовательно, максимальная температура отжига ионно-легированных слоев не должна превышать 750 °С.

8. Исследованы электрофизические свойства эпитаксиальных слоев фосфида индия п и р-типа проводимости, выращенных методом жидкостной эпитаксии на полуизолирующих подложках фосфида индия, компенсированного железом. Иследованы пленки, полученные хлоридным и хлоридно-гидридным методом при различной обработке поверхности подложки и подвергнутые высокотемпературному отжигу. При этом показано, что в результате отжига происходит незначительное уменьшение концентрации носителей заряда и некоторое снижение подвижности, что связано с диффузией компенсирующей примеси из материала подложки.

9. Методами термостимулирования (ТСТ и ТРК) исследованы параметры глубоких центров захвата в монокристаллах фосфида индия, компенсированного железом, неотожженных и подвергнутых отжигу. Показано, что отжиг образцов в атмосфере водорода при температурах 600 -800 иС (в режиме, соответствующем отжигу радиационных дефектов) практически не оказывает влияния на вид спектров ТСТ и ТРК.

10.В InP(Fe) определен энергетический спектр дефектов, состоящий из четырех уровней с энергиями активации 0,31 - 0,33; 0,43 - 0,47; 0,57 - 0,59; 0,68 -0,71 эВ. Три первых уровня наблюдались при исследовании ТСТ, в спектрах ТРК наблюдался также высокотемпературный максимум с энергией активации 0,68 - 0,71 эВ (St~2T0"18 см2). Соответствующий центр,

15 3 концентрация которого по оценочным данным превышает 10 см" , связывается нами с присутствием железа. Центр с энергией активации 0,31 -0,33 эВ (8г~Ю"14-Н0"15см2). связывается с наличием меди. В исследованных

10 13 3 образцах концентрация этого центра меняется от 10 до 10 см" . При исследовании спектров ТСТ для всех исследованных образцов наблюдался

11 19 9 уровень с энергией активации 0,43 - 0,47 эВ ^-Ю" - 10" см ). Уровень с энергией 0,44 эВ наблюдался также в спектрах фотопроводимости образцов 1пР(Те). Природа центра пока не ясна.

11.Исследованы спектры тока ТРК эпитаксиальных слоев п и р-типа проводимости, выращенных на полуизолирующих подложках фосфида индия. Для всех исследованных образцов наблюдался сложный спектр тока ТРК с несколькими близко расположенными максимумами. Спектр тока ТРК не зависит от метода получения слоев (хлоридный или хлоридно-гидридный) и предварительной обработки поверхности подложки. Для эпитаксиальных образцов п и р-типа проводимости характерно наличие центров захвата с близкими параметрами (энергия активации, сечение захвата), однако концентрация глубоких центров захвата в пленках р-типа на 1-2 порядка превышает концентрацию аналогичных центров в пленках п-типа проводимости. Наличием большого количества ловушечных центров можно объяснить низкие значения подвижности носителей заряда в эпитаксиальных слоях фосфида индия. i 26b i

6. Исследование параметров глубоких центров захвата в теллуриде кадмия и твердом растворе CdixZnxTe.

Изучение глубоких центров захвата в компенсированном CdTe представляет большой интерес в связи с перспективой его использования для целей у- и рентгеноспектрометрии.

Первые работы по созданию детекторов а- и у- излучения появились в середине семидесятых годов. Поскольку в этот период производился сравнительно низкоомный материал, первые счетчики изготавливали путем создания поверхностных барьеров [108], либо р-n переходов [109]. Детекторы имели различную разрешающую способность, лучшие показывали разрешение 4-5 кэВ на линии Еу =122 кэВ [108], однако основным недостатком таких приборов являлось ограниченная ( < 0,01 см ) толщина чувствительной области, вызванная весьма низкими величинами эффективных времен жизни электронов и дырок 5 Ю"10 - 4 10"8 с [110]. Изготовление поверхностно-барьерных детекторов из низкоомного CdTe п-типа (50-500 Ом см ), подвергнутого многократной зонной очистке, либо синтезированного из более чистых компонентов, привело к увеличению времени жизни неравновесных носителей заряда (|ит+~ 10 ^ см2 В"1 с"1) [111], что позволило улучшить разрешающую способность приборов. Однако из-за использование низкоомного материала уровень шумов детекторов достигал 15 кэВ и это делало невозможным их применение для регистрации низкоэнергетического у- и рентгеновского излучений. Разработка технологии получения полуизолирующего CdTe привела к изготовлению и исследованию характеристик детекторов, имеющих толщину чувствительной области 0.1 см и более. Дальнейшие исследования в области получения у-детекторов на основе полуизолирующего CdTe, показали возможность получения приборов с разрешением 8-10% при регистрации" мягкого излучения ( Еу=100 кэВ) и около 5% при регистрации жесткого у-излучения (Еу=1мэВ) [112]. Качество спектрометрического детектора зависит от эффективности собирания зарядов и во многом определяется концентрацией центров рекомбинации и захвата носителей заряда. Основной характеристикой, определяющей транспорт носителей заряда в детекторе, является величина произведения дрейфовой подвижности (электронов |1П и Цр) на время жизни носителей заряда (тп+, тр+) -1! п тп+ (цр тр+). Для кристаллов СсГГе величину р.т+ обычно определяют по потере заряда, наведенного а-частицами [113].

Теллурид кадмия, из которого изготовлены детекторы, дающие лучшие энергетические спектры, характеризуется величинами |аптп+=(1-2 10"3), (д,рТр+-1 10"4 см2/В. Затруднения, связанные с достижением высокого разрешения детектора, вызваны наличием трудноопределяемых примесей в СсГГе, наличие которых в кристаллах в заметных концентрациях является основным препятствием к достижению высоких величин времени жизни неравновесных носителей заряда, затрудняя воспроизводимость требуемых свойств у-детекторов. Результаты проведенных исследований [114-119] не дают точной картины о структуре дефектов в СсГГе. Данные, характеризующие собственные дефекты, противоречивы и в большинстве своем требуют уточнения. Трудности, возникающие при проведении таких исследований, обусловлены, по-видимому, отсутствием способов очистки материалов от трудноудаляемых примесей О, 1чГ, С, 81, 8е, Ъп, Н^,. Информация о влиянии этих элементов на электрические свойства СсГГе весьма ограниченна. Как правило, такие примеси являются к тому же трудноанализируемыми. Наличие в кристаллах СсГГе перечисленных примесей приводит к возрастанию вероятности образования с их участием комплексов с собственными дефектами, что затрудняет идентификацию уровней в запрещенной зоне СсГГе.

Учитывая, что на характеристики детекторов влияют примеси в

ШЮ 1 /Ч I 3 ~3 V »-» IО см , важнейшей задачей является повышение чувствительности методов их анализа.

6.1. Исследование глубоких центров захвата в монокристаллических образцах СсГГе, легированных алюминием в процессе зонной кристаллизации.

Экспериментально доказана необходимость легирования мелкой донорной примесью для получения высокоомных кристаллов, не изменяющих своих свойств со временем. В работе [120] было показано, что путем компенсации собственных дефектов мелкими донорами возможно получение кристаллов СсГГе, имеющих р>108 Ом см и т+>10"7 с. Электронная проводимость в высокоомных кристаллах СсГГе достигается при их легировании элементами третьей группы. С точки зрения теории самокомпенсации А1 и 1п являются в СсГГе мелкими донорами, образующими нейтральные ассоциации с вакансиями кадмия, и поэтому они должны приводить к получению высокоомного материала электронной проводимости.

В работе [121] показано, что проведение десяти проходов зонной перекристаллизации Сс1Те с перемешиванием расплава приводит к снижению концентрации большинства естественных примесей в средней части слитка в 102ч~104 раз. Применение в этих условиях обычно используемых легирующих добавок - донора в виде индия - приводит к значительному перепаду их концентраций по длине слитка, вследствие того, что коэффициент распределения 1п <1, что резко снижает выход компенсированного материала. В связи с этим легирование алюминием, у которого коэффициент распределения немного больше единицы к>1, открывает перспективу глубокой очистки монокристаллов с сохранением концентрации введенной примеси, необходимой для точной компенсации.

Нами проводилось исследование параметров глубоких центров захвата образцов теллурида кадмия, легированных алюминием. С целью стабильного получения кристаллов CdTe, имеющих т+>10"7 с, в данной серии экспериментов [122-124] применялись высокочистые компоненты (Cd - ЕТО. 035. 034, Те - ЕТ0.035. 050.), подвергнутые дополнительной дистилляционной очистке, а синтезированный из них CdTe -сублимационной очистке. Нами методами ТСТ и ТРК проведены исследования параметров глубоких центров захвата образцов CdTe, вырезанных из различных участков слитка. В некоторых случаях для повышения точности измерения методом ТРК использовали схему с большой дополнительной емкостью и применяли многократную термическую очистку. Удельное сопротивление CdTe кристаллов по всей длине

5 8 слитка менялось от 10 до 10 Ом см.

Типичная зависимость ТСТ и темнового тока приведена на рис.6.1. На рис.6.2 для того же образца приведена температурная зависимость тока ТРК. Параметры центров захвата, рассчитанные по данным ТСТ, ТРК и I (Т), представлены в таблице 6.1.

На образцах n - CdTe с р=3 108 Ом см, соответствующих образцу 1 в таблице 6.1, по данным ТСТ обнаружен уровень с энергией активации Et=0,57ч-0,62 эВ, концентрацией Nt~l,5 1014 см"3 и сечением захвата St~2 10"12 см . При проведении измерений токов ТРК на тех же образцах нами обнаружено четыре максимума тока ТРК (рис.6.2). Надежное определение параметров глубоких центров захвата при применении термической очистки проведено для трех максимумов (таблица 6.1). Для образца 2 ( n-CdTe, р~2,0 105 Ом см) по данным ТСТ наблюдается уровень с Et=0,2 эВ, концентрацией Nt=2 1015 см ~3 и Sf=10"19 см2; при исследовании токов ТРК наблюдается один максимум, соответствующий уровню с Et= 1,17 ч-1,2 эВ.

Ir m>

18

-0

-ti ш>

-г, о 4

9 ШТе

1 X •

Ь л ю-'г

1* , '. г ' • ' . А»,. .—Я- « , —в зависимость тока ТРК ;

Ло г? .