Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 2 Исследование резистивных фоточувствительных элементов на основе HgCdTe методом наведенного тока й П.С. Вергелес, В.В. Крапухин, Е.Б. Якимов Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия ОАО Московский завод ДСапфирУ, 117545 Москва, Россия (Получена 20 июля 2006 г. Принята к печати 28 июля 2006 г.) Методом наведенного тока в растровом электронном микроскопе исследованы фоточувствительные резистивные элементы на основе HgCdTe, фоточувствительность которых понизилась в результате длительной эксплуатации. Показано, что процессы деградации в таких элементах связаны с появлением вблизи контактов областей с пониженной чувствительностью. Проведено моделировние распределения наведенного тока для таких неоднородных элементов. Показано, что сравнение измеренных и рассчитанных распределений сигнала наведенного тока позволяет выявлять наиболее вероятные причины неоднородного понижения чувствительности. Проведенное сравнение показало, что наиболее вероятной причиной понижения чувствительности в исследованных элементах является повышение концентрации доноров в приконтактных областях.

PACS: 71.20.Nr, 71.55.Eq, 72.20.Jv 1. Введение может измеряться даже без приложенного напряжения и темновой ток в цепи исследуемой структуры обычно Несмотря на существенный прогресс в улучшении папренебрежимо мал. В резистивных фоточувствительных раметров фоточувствительных резистивных элементов структурах для измерения НТ к элементу необходи(ФЧЭ) на основе CdHgTe (кадмийЦртутьЦтеллур, КРТ), мо приложить напряжение, при этом темновой ток, они еще не достигли теоретических значений. Кроме обусловленный напряжением, в узкозонных полупротого, окончательно не решена и проблема деградации водниках может быть достаточно большим. Изменение таких элементов, как при технологических обработках, тока, вызванное локальным возбуждением, определяется так и в процессе их эксплуатации. Деградация ФЧЭ изменением сопротивления элемента; при возбуждении проявляется, в частности, в уменьшении их фотоотструктур сравнительно большого размера сфокусироклика при освещении. Однако исследование механизмов ванным пучком изменение тока мало и становится деградации фотоэлементов ограничивается чрезвычайно измеримым только при уменьшении размеров исследумалым количеством диагностических методов, позволяемых структур. Повышение сигнала НТ может быть ющих проводить такие исследования. Этим и обусловлен также достигнуто путем увеличения размеров области интерес к развитию локальных методов диагностики возбуждения или повышения его интенсивности, т. е.

ФЧЭ, позволяющих изучать пространственное распреза счет ухудшения пространственного разрешения. Тем деление неравновесных носителей заряда для контроля не менее при уменьшении размеров ФЧЭ до величин основных параметров материала, таких как диффузи (30-100) мкм такие исследования становятся возможонная длина неравновесных носителей заряда, и для ными и позволяют получать полезную инофрмацию о выявления источников деградации ФЧЭ.

параметрах материала элементов [3Ц5]. Кроме того, Одним из наиболее перспективных методов исследов барьерных структурах измеряемый ток равен току вания, направленного на решение указанных проблем, неосновных носителей заряда и методы его расчета является метод наведенного тока (НТ) в растровом электронном микроскопе [1,2]. Основная область приме- хорошо развиты [1,2]. В резистивных структурах изменения этого метода Ч исследование барьерных струк- нение сопротивления при возбуждении структуры электур (p-n-переходов или барьеров Шоттки), поскольку тронным пучком должно рассчитываться с использоваименно на таких структурах возможности обсуждаемого нием распределения неравновесных носителей заряда, метода могут быть использованы наиболее эффективно.

которое, в свою очередь, определяется путем решеПрименение этого метода к резистивным структурам не ния амбиполярного диффузионно-дрейфового уравнения.

столь эффективно и имеет ряд особенностей по сравПри этом пространственное распределение сигнала в нению с исследованием барьерных структур. В первую общем случае будет отличаться от распределения сигочередь это связано с тем, что в барьерной структуре нала в барьерной структуре. В [3Ц5] были проведены сигнал НТ возникает за счет диффузии неравновесных исследования и расчет распределения сигнала НТ в носителей заряда к области объемного заряда и их фоторезистивных элементах на основе КРТ и показаразделения полем внутри этой области. При этом сигнал но, что сравнение измеренного распределения НТ с E-mail: yakimov@ipmt-hpm.ac.ru рассчитанным позволяет оценить диффузионную длину Исследование резистивных фоточувствительных элементов на основе HgCdTe методом... Рис. 1. Изображение однородного фоточувствительного элемента в режимах НТ при напряжении +50 и -50 мВ на правом контакте. Размер изображения 70 70 мкм.

в готовом элементе, а также эффективные скорости тока в цепи ФЧЭ. При используемых условиях возрекомбинации на его боковых границах. буждения элемента электронным пучком максимальное В настоящей работе методом НТ исследованы эле- значение НТ в ФЧЭ не превышало 10% от темнового менты, в которых фоточувствительность понизилась в тока. Как показывают расчеты [3], в таких условиях результате длительного хранения или отжига при повы- отношение n/n0, где n и n0 Ч соответственно конценшенных температурах. Показано, что процессы деграда- трации неравновесных и равновесных носителей заряда, ции в таких элементах связаны в появлением областей порядка 1 вблизи падения пучка и существенно меньше с пониженной чувствительностью. Проведено модели- при удалении от нее. Кроме того, зависимость сигнала рование распределения НТ для таких неоднородных НТ от приложенного напряжения практически не отэлементов. Сравнение измеренных и рассчитанных рас- личалась от линейной. Это и обусловило возможность пределений показало, что наиболее вероятной причиной использования амбиполярного диффузионно-дрейфового понижения чувствительности исследованных элементов уравнения с постоянными коэффициентами при расчетах является повышение концентрации носителей заряда в распределения концентрации неравновесных носителей заряда. Так как локальная генерация неравновесных ноприконтактных областях.

сителей заряда сфокусированным электронным пучком качественно подобна генерации сфокусированным опти2. Методика ческим пучком, полученные распределения НТ можно использовать для описания двумерного распределения Исследовались резистивные линейки фоточувствифоточувствительности элемента.

тельных элементов на основе КРТ. Фоточувствительный элемент изготавливался из Hg1-x CdxTe (x 0.22) n-типа проводимости толщиной 5-7 мкм с размерами 3. Исследование распределения 50 50 мкм. Элементы покрывались многослойной динаведенного тока электрической пленкой суммарной толщиной 1.5мкм.

Экспериментальные исследования проводились в ра- На рис. 1 и 2 приведены изображения в режиме стровом электронном микроскопе JSM 840A (Jeol) при НТ двух фоточувствительных резистивных элементов температуре 90 K. Поскольку ФЧЭ были покрыты мно- со стандартной фоточувствительностью (рис. 1) и с гослойной диэлектрической пленкой, содержащей тяже- фоточувствительностью, примерно в 1.5 раза меньшей, лые элементы, в большинстве случаев использовалась чем стандартная (рис. 2). В элементе со стандартными энергия первичных электронов 35 кэВ, ток пучка не характеристиками максимум НТ в направлении, паралпревышал 10-10 A. На исследуемые структуры подава- лельном приложенному электрическому полю, смещен к лось напряжение 50 мВ разной полярности. При этом положительному электроду и сдвигается при изменении измерялся ток, наведенный электронным пучком в цепи полярности приложенного напряжения, что хорошо соФЧЭ, в зависимости от координат точки облучения. гласуется с расчетным распределением для однородного В результате сканирования элемента электронным пуч- элемента [3]. Уменьшение чувствительности вблизи боком получалось двумерное распределение избыточного ковых сторон элементов, как показано в [3,4], связано 8 Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 244 П.С. Вергелес, В.В. Крапухин, Е.Б. Якимов Рис. 2. Изображение неоднородного фоточувствительного элемента в режимах НТ при напряжении +50 и -50 мВ на правом контакте. Размер изображения 84 84 мкм.

с рекомбинацией на дефектах, введенных при ионном точником возбуждения:

травлении. Пространственное распределение чувстви2 p(x, x0) eE(x)a p(x, x0) p(x, x0) тельности в элементах с пониженной фоточувствитель- x2 Da x L(x)ностью заметно отличалось от расчетного. Как видно из рис. 2, в элементе с пониженной чувствительностью (x, x0) она понижается вблизи обоих контактов, при этом = -, (1) Da максимум НТ расположен вблизи центра элемента и практически не смещается при изменении полярности где p Ч изменение концентрации неосновных носитеприложенного напряжения. Таким образом, уже срав- лей заряда (дырок), нение приведенных изображений позволяет предполаn - p n + p гать, что деградация параметров фоточувствительного a = и Da = n/h + p/e n/Dh + p/De элемента связана с существенным изменением электрических характеристик в приконтактных областях. Из Ч амбиполярные подвижность и коэффициент диффуобщих соображений можно предположить, что наблюзии соответственно, De, e и n Ч соответственно даемое понижение чувствительности в приконтактных коэффициент диффузии, подвижность и концентрация областях связано с повышением скорости рекомбинации электронов, Dh, h и p Ч коэффициент диффузии, пов этих областях (уменьшением диффузионной длины движность и концентрация дырок, x Ч координата в нанеравновесных носителей заряда) либо повышением правлении приложенного электрического поля, E(x) Ч концентрации доноров. Обе эти причины обусловлены напряженность электрического поля, L(x) =(Da )0.5 Ч возникновением дефектов в приконтактных областях и, диффузионная длина неравновесных носителей заряда, по-видимому, обе оказывают влияние на характеристики Ч время жизни неравновесных носителей заряда, исследуемого элемента. Однако, поскольку они должны x0 Ч координата падения электронного пучка. Поскольку подвижность электронов при температуре измерений приводить к разным распределениям чувствительности, примерно на 2 порядка выше подвижности дырок, а конможно надеяться, что сравнение измеренного распрецентрация неравновесных носителей заряда, как отмеделения с расчетным позволит выяснить, какая из них чалось выше, практически не превышает концентрацию вносит основной вклад в деградацию элемента.

равновесных, амбиполярные коэффициент диффузии и подвижность носителей заряда с хорошей точностью равны соответствующим коэффициентам для дырок.

4. Моделирование одномерного Интегрирование двумерного уравнения в направлераспределения тока нии y, перпендикулярном электрическому полю, показывает, что одномерное уравнение описывает распредеd Для упрощения расчета при моделировании неодноление интеграла концентрации p(x, y)dy с ошибкой, родных элементов решалось одномерное амбиполярное диффузионно-дрейфовое уравнение [6,7] с точечным ис- не превышающей 15%. Кроме того, для однородных Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Исследование резистивных фоточувствительных элементов на основе HgCdTe методом... элементов профиль сигнала НТ в направлении электрического поля в середине элемента, рассчитанный в двумерной модели, практически совпадает с профилем, рассчитанным в одномерном приближении. Вследствие этого можно было предполагать, что моделирование в рамках одномерной модели профиля сигнала НТ и сравнение его с профилем, полученным в направлении x в середине элемента, позволит, по крайней мере на качественном уровне, понять природу наблюдаемой неоднородности электрических свойств.

При моделировании неоднородного элемента он разбивался на три области Ч две приконтактные и центральную. В первом случае в этих областях задавались различные значения равновесной концентрации носителей заряда, которые изменялись скачком на границах областей. В приконтактных областях длиной dи (d-d2), где d Ч длина элемента, концентрация доноров полагалась равной N1, а в центральной области длиной (d2-d1) Ч N2. Профили сигнала НТ рассчитывались при N1/N2 > 1. Уменьшение концентрации доноРис. 3. Экспериментальные (1), рассчитанные в предположеров вблизи контактов должно приводить к увеличению нии неоднородного распределения концентрации доноров (2) и относительного изменения сопротивления, а следовав предположении неоднородного распределения диффузионной тельно, и чувствительности в неоднородных областях, длины (3) нормированные профили сигнала НТ в неоднородчто противоречит экспериментальному распределению.

ном фотоэлементе при напряжении +50 мВ (a) и -50 мВ (b) Во втором случае предполагалось, что на границах прина левом контакте (см. рис. 2).

контактных областей уменьшается диффузионная длина L. Уровень возбуждения предполагался малым, т. е.

предполагалось, что концентрация неравновесных носителей заряда p N1 и p N2. Граничные условия на n+-n-контактах описывались, как и в [3,8], введением конечной скорости поверхностной рекомбинации. На границах раздела в случае скачка концентрации, как обычно, использовалось условие непрерывности тока, и изменение концентрации неравновесных носителей заряда на границах рассчитывалось с учетом изменения потенциала = kT ln(N1/N2). В случае скачка диффузионной длины на границах раздела использовалось условие непрерывности концентрации и потока неравновесных носителей заряда. Далее для 101 значения xв диапазоне от 0 до d рассчитывалось распределение неравновесных носителей заряда p(x, x0), обусловленное этими носителями изменение сопротивления образца и соответственно изменение тока I (сигнал НТ) в Рис. 4. Профили сигнала НТ, рассчитанные для однородного зависимости от x0.

фотоэлемента (1), а также для неоднородного фотоэлемента На рис. 3 приведены экспериментальные профили в предположении неоднородного распределения концентрации (кривые 1) сигнал НТ для образца, представленного доноров (2) и в предположении неоднородного распределения на рис. 2, полученные при напряжениях U = 50 мВ.

диффузионной длины (3) при напряжении +50 мВ на левом На этом же рисунке представлены профили, рассчиконтакте и одинаковой скорости генерации неравновесных танные в предположении неоднородного распределения носителей заряда.

концентрации (кривые 2) или неоднородного распределения диффузионной длины (кривые 3), наиболее близко описывающие экспериментальные профили. При модеприконтактных областей с измененными свойствами и лировании в первом случае варьировалось отношение скорость генерации.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам