Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 7 Исследование утечек по поверхности фотодиодов на CdHgTe й П.В. Бирюлин, В.И. Туринов, Е.Б. Якимов Научно-производственное предприятие ДИстокУ, 141190 Фрязино, Россия Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия (Получена 21 августа 2003 г. Принята к печати 24 декабря 2003 г.) Исследован ток утечки I по поверхности фотодиодов из CdxHg1-x Te с граничной длиной волны спектра p фоточувствительности co = 9.8-11.6 мкм, изготовленных имплантацией ионов Zn++ в твердый раствор p-типа проводимости. На поверхностный характер тока I указывает координатный сдвиг пика на профиле p чувствительности n+-p-переходов, измеряемом в режиме сканирования лучом лазера на CO2 (длина волны 10.6 мкм), при увеличении напряжения U на фотодиоде, а также смещение спектральных характеристик в коротковолновую область при увеличении U.

Свойства p-n-переходов на узкозонных твердых рас- подвижность дырок p, время жизни электронов n) творах CdxHg1-x Te сильно зависят от условий синтеза и приведены в таблице. Базовую n+-область создавали роста кристаллов, а также от технологии изготовления легированием ионами Zn++ с энергией 120 кэВ дозой самих p-n-переходов [1]. Имеются и такие трудности, 1 1015 см-2. По оценкам глубина залегания n+-p-пекак присутствие больших случайных шунтирующих про- реходов составляла (0.5-0.8) мкм. В качестве маски и водимостей, связанных с объемными микронеоднородно- для защиты n+-p-переходов использовали пленку ZnS.

стями [2], образующимися при росте кристалла. Такие Через несимметричный n+-p-переход проходит дифдефекты могут также воздействовать на процессы при фузионный ток Id [6], вкладом в который неосновных изготовлении p-n-переходов. Явления шунтирования, носителей сильно легированной области, в данном слуприводящие к деградации переходов со временем, связаны также с природой поверхности CdxHg1-x Te, на которой образуются аккумулирующие слои на материале n-типа и инверсионные слои на материале p-типа проводимости [3,4]. Проблемой является также потеря ртути с поверхности при технологических операциях.

Многие из этих проблем уже решены, технология изготовления кристаллов, а также p-n-переходов достигла такой ступени, что основной акцент переместился на исследование свойств переходов на CdxHg1-x Te [5].

Обратный ток фотодиодов (I ) представляет собой сумму диффузионной составляющей (Id), генерационнорекомбинационного тока в области пространственного заряда (Igr ), фототока (I ), туннельной составляюf щей (It) и тока утечки (I ) как по поверхности, так и в p объеме из-за дефектов в экспериментальных фотодиодах.

В данном исследовании основное внимание обращалось на ток I, поскольку этот ток является причиной p низких значений дифференциального сопротивления Rd в экспериментальных фотодиодах (ФД) на Cdx Hg1-xTe.

С целью выявления доминирующих токов при различных обратных напряжениях смещения U были построены теоретические вольт-амперные характеристики (ВАХ) с варьированием составляющих тока для достижения согласия теоретических ВАХ с экспериментальными. Измерения проводились на фотодиодах, изго- Рис. 1. Зависимости обратных токов фотодиодов 2, 18 из CdHgTe от напряжения смещения: точки Ч эксперимент, литовленных на образцах p-CdxHg1-x Te, полученных тернии Ч расчет компонент тока. Фотодиод 2: It ; I d0 = 6 10-7 А;

моконверсией из образцов n-типа проводимости. ПараI g0 = 1.2 10-8 А; I f (Tb = 240 K); I ds и I gs Ч расчет по соотметры образцов p-CdxHg1-x Te (концентрация дырок p, ношениям (4) и (5) соответственно; S = 1.5 104 см/с. Фотоди од 18: It ; I d0 = 2.5 10-6 А; I g0 = 1 10-7 А; I f (Tb = 300 K);

E-mail: birulin@sl.ru E-mail: yakimov@ipmt-hpm.ac.ru S = 2.4 104 см/с.

Исследование утечек по поверхности фотодиодов на CdHgTe отношение Планка), имеет следующий вид:

I = q sin2(/2)(1/2 c) W () ()d, (3) f где Ч линейный угол обзора фотодиода, c Чскорость света в вакууме, Ч приведенная постоянная Планка, Ч длина волны излучения, () Ч спектральный коэффициент пропускания окна криостата фотодиода и просветляющего покрытия на p-n-переходе, () Ч спектральная квантовая эффективность [8].

Рассмотрим ток I для утечек по поверхности [9Ц11].

p Это, во-первых, ток Ids Ч поверхностный диффузионный ток в канале [10]:

1/2 1/Ids = 2 d2Id(kT/q) exp(qU/kT ) - (qU/kT) - 1, (4) где Ч проводимость поверхностного канала, d Ч ширина канала, Id Ч диффузионный ток через n+-p-переход, определяемый соотношением (1).

Кроме того, рассмотрим ток Igs Ч генерационноРис. 2. Зависимость обратных токов фотодиодов 11, рекомбинационный ток в канале [9], выражаемый через из CdHgTe от напряжения смещения: точки Ч эксперазность приведенных потенциалов на поверхности и в римент, линии Ч расчет компонент тока. Фотодиод 11:

объеме (Ys-Yb), подвижность носителей в канале s и It ; I d0 = 1.1 10-6 А; I g0 = 8.9 10-7 А; I f = I f (Tb = 300 K);

I ds Ч расчет по соотношению (4); S = 2.1 104 см/с. Фотоди- скорость генерационно-рекомбинационного процесса G од 12: It ; I d0 = 1.8 10-7 А; I g 0 = 3 10-9 А; I f (Tb = 300 K) и I f (Tb = 240 K); I s Ч расчет по соотношению (6);

S = 1.5 104 см/с.

чае n+-области, можно пренебречь:

Id = Id0 exp(-qU/kT) - 1, Id0 =(qn2/Na)(kTn/qn), (1) i где q Ч заряд электрона, k Ч постоянная Больцмана, T Ч температура в K, ni Ч концентрация электронов в собственном полупроводнике; Na, n, n Ч концентрация акцепторов, подвижность и время жизни электронов в p-области перехода соответственно.

Для генерационно-рекомбинационных токов Igr, поскольку они оказались много меньше других токов, приводятся (в подписях к рис. 1Ц3) только численные значения при U > kT/q [7] Ig0 =(niAW0/0)(kT/Ubi), 0 =(n0p0)1/2, (2) где W0 Ч ширина области пространственного заряда Рис. 3. Зависимость обратных токов фотодиодов 19, (ОПЗ); n0, p0 Ч времена жизни неосновных носитеиз CdHgTe от напряжения смещения: точки Ч экспелей тока, электронов и дырок при термодинамическом римент, линии Ч расчет компонент тока. Фотодиод 19:

равновесии в p- и n+-области перехода соответственно;

It ; I d0 = 1.2 10-5 А; I g0 = 5.9 10-9 А; I f (Tb = 240 K); I s Ч Ubi Ч контактный потенциал перехода, A Чплощадь расчет по соотношению (6); I d Ч расчет по соотношеперехода.

нию (1); S = 3 103 см/с. Фотодиод 20: It ; I d0 = 2.3 10-5 А;

Выражение для фототока приемника, создаваемого I g0 = 1.3 10-8 А; I f (Tb = 300 K); I d Ч расчет по соотношеизлучением фона со спектральной плотностью W (со- нию (1); S = 1.5 103 см/с.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 892 П.В. Бирюлин, В.И. Туринов, Е.Б. Якимов Параметры образцов CdxHg1-x Te и фотодиодов на их основе Образец Cdx Hg1-x Te Номер ФД Ln, мкм co, мкм R0A, Ом см2 Rmax, кОм (-U, мВ) pp, 1016 см-d A1: p = 1.1 1015 см-3, 2 10.0 0.68 5.6 (405) 1. p = 447 см2/В с n = 7 10-8 с; 4 - 9.9 0.71 37 (300) 0. A1: p = 5.3 1014 см-3, 5 - 9.8 0.72 55 (135) 0. p = 647 см2/В с 7 - 0.61 18.4 (50) 0. B3: p = 1.5 1016 см-3 9 - 0.89 35 (135) 0. p = 523 см2/В с, n = 1 10-7 с;

11 9.8 0.32 23 (150) 0. B4: p = 6.6 1014 см- p = 520 см2/В с 12 10.1 0.81 1200 (160) 1. 14 - 9.9 0.63 32 (126) 0. C1: p = 1 1016 см-3, 3 - 10.1 0.54 3.6 (130) 0. p = 463 см2/В с, 18 10.8 0.17 8.7 (90) 1. n = 3 10-8 с 21 - 9.94 0.32 16.2 (68) 3. D1: p = 1.8 1016 см-3, 10 - 11.6 0.21 12 (65) 1. p = 491 см2/В с, 13 - 11.48 0.38 23.5 (48) n = 4 10-8 с; 15 - 11.29 0.59 17.6 (49) D2: p = 9 1014 см-3, 16 - 11.28 0.62 27 (69) p = 471 см2/В с 17 - - 0.42 16.2 (50) G1: p = 2.8 1016 см-3, 8 - 0.35 15 (47) 1. p = 492 см2/В с, 19 11.48 0.39 20.6 (50) 1.n = 8 10-8 с 20 11.8 0.44 15 (47) 0.Примечание. Диаметр n+-p-переходов (по фотошаблону) 300 мкм. Параметры образцов Cdx Hg1-x Te получены из измерений при T = 78 K.

co Ч граничная длина волны спектра фоточувствительности по уровню 0.5 от максимума. R0A Ч удельное дифференциальное сопротивление при нулевом смещении, Rmax Ч максимальное дифференциальное сопротивление.

d в единице объема полупроводника: электронами, создающими обратный ток перехода, ток утечки) и имеет максимальное значение Ys =+2.1.

1/Igs = d (exp 2B - 1)/(exp 2B + 1) GskT 0s Будем считать, что имеется еще одна составляющая тока Ч поверхностный генерационно-рекомбинационный ток в коротком поверхностном канале [13] exp -(Ys - Yb)/2 U1/2, (5) Is = Is0 exp(-qU/kT) - 1, Is0 = 2qniSA, (6) где G = ni/2n, B = l[qG exp(Ys )/2s nikT]1/2, l Чдлина канала, Yb = -Ef b/kT, 0, s Ч электрическая постогде S Ч скорость поверхностной рекомбинации (варьиянная и относительная диэлектрическая проницаемость руемый параметр, значения приводятся в подписях к риполупроводника соответственно.

сункам); A = (D0 + 2Ln)2/4 - A0, A0 = D2/4. Здесь Приведенный электростатический потенциал Ys = y A0 и D0 = 2r0 Ч площадь и диаметр n+-p-перехода по = s/kT на границе раздела ZnSЦCdxHg1-x Te при фотошаблону, A Ч площадь кольца шириной Ln, Ln Ч U = 0 В используем из экспериментальных вольтдлина диффузионного смещения электронов в p-области фарадных характеристик n+-p-переходов [12], и из перехода. Таким образом, считаем, что рекомбинация этих измерений также была определена концентрация идет на поверхности в кольце площадью A.

дырок в p-области pp (см. таблицу). Оценим Igs для случая, когда Ys Ч положительный (зоны изогнуты На рис. 1Ц3 наряду с экспериментальными ВАХ вниз, поверхность обогащена неосновными носителями, приведены либо рассчитанные токи в виде зависимоФизика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Исследование утечек по поверхности фотодиодов на CdHgTe Рис. 4. Зависимость фотосигнала Us от координаты x n+-p-переходов из CdHgTe при разных напряжениях смещения U.

a: фотодиод 2, P = 0.05 мВт. b: штриховые кривые Ч фотодиод 7, P = 0.01 мВт, сплошные Ч фотодиод 9, P = 0.09 мВт.

c: штриховая кривая Ч фотодиод 8, P = 0.01 мВт, сплошные Ч фотодиод 20, P = 0.08 мВт. d: штриховые кривые Ч фотодиод 11, P = 0.09 мВт, сплошные Ч фотодиод 18, P = 0.06 мВт. e: фотодиод 12, P = 0.05 мВт. f : фотодиод 19, P = 0.05 мВт.

стей от напряжения, либо даны их значения в режиме На ряде фотодиодов были измерены эффективнасыщения, если их вклад незначителен при конструи- ные диффузионные длины Ln электронов в p-обласровании ВАХ из этих составляющих. Отметим, что ти n+-p-переходов сканированием луча лазера на без участия тока Igs только для одного фотодиода 2 CO2 (длина волны = 10.6 мкм, размер пятна луча (рис. 1) невозможно было получить теоретическую d = 30 мкм) по диаметру перехода (рис. 4), значения обратную ветвь ВАХ, соответствующую эксперимен- приведены в таблице (верхние значения). Измерения, тальной. Представленные на рис. 1Ц3 ВАХ измерены при представленные на рис. 4, были выполнены при раздвух температурах фона Ч Tb = 300 K и пониженный личных смещениях U на фотодиодах в малосигнальном фон Tb = 240 K (фотодиод ДсмотритУ на жидкий азот, режиме, значения мощностей излучения P лазера приугол обзора 45). В подписях к рисункам только ведены в подписи к рис. 4. Значения Ln определяли по для тех токов, которые были измерены при пониженном уменьшению сигнала от максимальной величины в e раз, фоне, указана температура Tb = 240 K. т. е. по уровню Us /Usmax = e-1 = 0.368. Кроме того, были Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 894 П.В. Бирюлин, В.И. Туринов, Е.Б. Якимов Рис. 5. Изображение кристалла фотодиода 18 из CdHgTe с n+-p-переходом в режиме вторичных электронов (a, b) и в режиме наведенного тока (c, d). a, c Чувеличение 100; b, d Чувеличение 300.

Рис. 6. Спектральные характеристики фотодиодов из CdHgTe при T = 78 K. a: фотодиод 2; U = -5 (1), -30 (2), -52 (3), -63 (4), -210 (5), -770 мВ (6). b: фотодиод 12; U = 0 (1), -15.5 (2), -50 (3), -200 (4), -790 мВ (5). c: фотодиод 18; U =+9.6 (1), 0 (2), -90 (3), -243 (4). d: 1 Ч фотодиод 19, U = -43 мВ; 2 Ч фотодиод 20, U = -37 мВ.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Исследование утечек по поверхности фотодиодов на CdHgTe выполнены оценки диффузионной длины Ln =(Dnn)1/2 чего увеличивается относительная чувствительность на по n и n, измеренным на исходных образцах p-типа малых длинах волн.

проводимости, которые также приведены в таблице Итак, исследования показали, что вид ВАХ и низкие (нижние значения). Из сравнения этих двух значений значения R0A, наблюдаемые иногда в экспериментальLn можно сделать вывод, что чем выше Rd фотодиодов, ных фотодиодах, обусловлены в основном свойстватем ближе друг к другу эти значения, и Rd в большей ми поверхности. Утечки по поверхности имеются во степени определяется объемными свойствами исходной всех переходах, не исключая переходы с высокими подложки p-типа проводимости, а не поверхностью. Rd, в которых они, не доминируя, искажают ВАХ.

Причиной наличия токов Ids и Is у ряда фотодиодов Во всех переходах при смещениях -U 0.01 В доми(рис. 1Ц3) являются локальные дефекты в пленке ZnS, нирует фототок фона (при углах обзора 45), а возникающие при технологических операциях в процес- при пониженном уровне фон Ч ток Is, зависимость се изготолвения n+-p-переходов, либо дефекты обра- которого от U подобна зависимости Id, что зачастую ботки поверхности самого материала. Так, на рис. 5, c, d может приводить к ложному выводу о доминирующем видны остаточные следы полировки пластин (фотоди- токе [15]. При -U 0.5 В доминирует туннельный ток It од 18), которые скрыты под ZnS, не видны на изобра- (рис. 1Ц3), а при промежуточных напряжениях смежениях, полученных в режиме вторичных электронов щения U (-0.01)-(-0.4) В вид экспериментальных (рис. 5, a, b), но проявляются в режиме наведенного ВАХ зависит от величины тока утечки по поверхности.

тока в растровом микроскопе (рис. 5, c, d) [14]. Анализ изображений позволяет отделить объемные дефекты в Список литературы самом материале CdHgTe от дефектов на поверхности, в частности дефектов на внешней поверхности плен[1] R.E. DeWames, G.M. Williams, J.G. Pasko, ки ZnS.

A.H.B. Vanderwyck. J. Cryst. Growth, 86, 849 (1988).

Падение чувствительности фотодиода 18 в коротко[2] А.И. Елизаров, В.И. Иванов-Омский, А.А. Корнияш, волновой области спектра при увеличении обратного на- В.А. Петряков. ФТП, 18, 201 (1984).

пряжения U характерно для эффекта влияния поверхно- [3] M.C. Chen. Appl. Phys. Lett., 51, 1836 (1987).

[4] S.E. Schachm, E. Finkman. Opt. Eng., 29, 795 (1990).

сти (рис. 6, а также рис. 4). Ширина области локальной [5] М.Г. Андрухив, С.В. Белотелов, И.С. Вирт. ФТП, 27, фотопроводимости, наведенной электронным пучком в (1993).

растровом микроскопе (рис. 5, c, d), дает представление [6] W. Shockley. Bell Syst. Techn. J., 28, 435 (1949).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам