Дослідження впливу градієнта складу і дефектів гратки на оптичні, фотоелектричні властивості та механізми переносу заряду в твердих розчинах HgCdTe і фоточутливих структурах на їх основі

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

УДК 539.2; 548.571

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ГРАДІЄНТА СКЛАДУ І ДЕФЕКТІВ ГРАТКИ НА ОПТИЧНІ, ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА МЕХАНІЗМИ ПЕРЕНОСУ ЗАРЯДУ В ТВЕРДИХ РОЗЧИНАХ HgCdTe І ФОТОЧУТЛИВИХ СТРУКТУРАХ НА ЇХ ОСНОВІ

Спеціальність - 01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико - математичних наук

ІВАСІВ ЗІНОВІЯ ФЕДОРІВНА

КИЇВ 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників НАН України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Сизов Федір Федорович, завідувач відділенням Інституту фізики напівпровідників НАН України

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Сальков Євген Андрійович, головний науковий співробітник Інституту фізики напівпровідників НАН України

доктор фізико-математичних наук, професор кафедри напівпровідникової мікроелектроніки Берченко Микола Миколайович, Львівський державний університет “Львівська політехніка”

Провідна установа: Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, фізичний факультет, кафедра оптики, м. Київ

Захист дисертації відбудеться 15 вересня 2000 р. о 15 год. 45 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою 03028, Київ - 28, проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників за адресою 03028, Київ-28, проспект Науки, 45.

Автореферат розісланий 9 серпня 2000 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук О.Б. Охріменко

Загальна характеристика роботи

струм шум спектр оптичний

Актуальність теми. В сучасній фотоелектроніці значна увага приділяється інфрачервоному (ІЧ) діапазону спектра, що зумовлено потребами науки і техніки. В області ІЧ фотоелектроніки найбільш актуальними з точки зору прикладного використання є тверді розчини на основі сполук HgCdTe. Широке коло фундаментальних та прикладних досліджень вузькощілинних напівпровідникових твердих розчинів HgCdTe зумовлено цілою низкою їх виняткових властивостей, серед яких найбільш важливою є можливість зміни ширини забороненої зони із зміною хімічного складу, що зумовлює в свою чергу їх широке практичне застосування у приладах ІЧ фотоелектроніки.

Сучасні фотоприймачі ІЧ випромінювання переважно виготовляють з епітаксійних плівок вузькощілинних твердих розчинів Hg1-xCdxTe товщиною d~10ё20 мкм, які вирощуються різними методами на широкозонних підкладках CdTe або Cd1-yZnyTe. В останньому випадку при у@0.03-0,04 епітаксійні шари з х@0.21-0,22 узгоджені за постійною гратки з підкладкою. Одним з найпоширеніших методів вирощування плівок на вказаних підкладках є метод рідкофазної епітаксії (РФЕ). Внаслідок того, що ширина забороненої зони CdTe або Cd1-yZnyTe (yЈ0,04, Eg»1,6 еВ) набагато перевищує ширину забороненої зони плівок Hg1-xCdxTe для фотоприймачів з червоною межею фотовідгуку l»10 мкм (х@0,215, Eg»0,1 еВ), між підкладкою та плівкою виникає шар з градієнтом ширини забороненої зони, товщина якого залежить від технологічних умов вирощування епітаксійних плівок (перш за все температури процесу РФЕ та часу), матеріалу, хімічного складу підкладки, густини дислокацій на гетеромежі, та ін. Для знаходження величини градієнта складу в плівках застосовуються різні методи, як, наприклад, рентгенівський мікроаналіз та оже-спектроскопія, в результаті використання яких досліджувана плівка руйнується. Враховуючи високу вартість епітаксійних плівок HgCdTe, розробка відносно дешевих, експресних і неруйнівних методів визначення розподілу хімічного складу по товщині та встановлення спектральної області їх фоточутливості є актуальною прикладною задачею.

Характер зміни градієнта складу та пов'язаного з ним градієнта ширини забороненої зони, особливо в області p-n-переходу фотодіода, визначає в заначній мірі їх характеристики внаслідок майже експоненційної залежності величини фоточутливості від ширини забороненої зони. Значну роль в процесах переносу заряду у фотодіодах на основі HgCdTe відіграють глибокі центри у забороненій зоні, які можуть виникаюти як під час вирощування самих матеріалів, так і при виготовленні приладів на їх основі. Вплив глибоких центрів на процеси струмопроходження в p-n переходах фотодіодів HgCdTe остаточно не з'ясований, а на шумові характеристики фотодіодів - майже не вивчався. Вивчення можливого взаємозв'язку між процесами струмопроходження в ІЧ фотодіодах та їх шумовими характеристиками є актуальною задачею з точки зору поліпшення їх порогових параметрів та оптимізації технології виготовлення. Стосовно фотодіодів на основі Hg1-xCdxTe вказані дослідження є особливо важливими, так як на даний час вони являються основним фоточутливими елементами сучасних ІЧ фотоприймальних пристроїв (великоформатних фокальних матриць та лінійок) з високими пороговими характеристиками для середнього (3-5 мкм) і далекого (8-12 мкм) діапазону спектра.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з планами наукової діяльності Інституту фізики напівпровідників НАН України в рамках наукової теми “Оптика і спектроскопія нових матеріалів: в тому числі квантово-розмірних систем на основі атомарних напівпровідників та сполук А2В6, А3В5, А4В6” (номер державної реєстрації 0195u024514) та в рамках договору з ЦКБ “Арсенал” “Розробка, виготовлення та поставка багатоелементного фотоприймального пристрою (ФПП)” (номер державної реєстрації 0197u019215, шифр “УМФ-1”). Автором виконана експериментальна ділянка роботи.

Мета і задачі дослідження. Основною метою роботи були експериментальні дослідження і теоретичний аналіз оптичних, фотоелектричних та електрофізичних властивостей однорідних та варізонних епітаксійних плівок Hg1-xCdxTe і діодних структур на їх основі для вивчення можливості управління характеристиками p-n переходів (довгохвильова межа фоточутливості, динамічний опір, виявна здатність і т.д.) та цілеспрямованого впливу на ці характеристики. Об'єктом дослідження були плівки Hg1-xCdxTe, вирощені методом РФЕ. Предметом дослідження - вплив градієнта складу на оптичні, фотоелектричні, електрофізичні та шумові характеристики РФЕ шарів Hg1-xCdxTe та фотодіодів на їх основі. Для досягнення поставленої мети вирористовувались такі комплексні експериментальні методи, як вимірювання оптичного пропускання, спектрів фотоструму, ефекту Холла, мікрорентгеноструктурний аналіз, вимірювання вольт-амперних характеристик та шумів. При цьому особливості матеріалу дисертаційної роботи визначили такі основні задачі досліджень:

- експериментальний та теоретичний аналіз спектрів оптичного пропускання в епітаксійних плівках Hg1-xCdxTe з різним характером та величиною градієнта складу;

- розробка простого неруйнівного методу встановлення якісного і кількісного характеру просторових варіацій ширини забороненої зони, основаного на аналізі спектрів оптичного пропускання;

- дослідження впливу градієнта складу на спектральні залежності фотопровідності в епітаксійних плівках Hg1-xCdxTe та спектри фотовідгуку у діодних структурах на їх основі;

- дослідження механізмів темнового струму і спектрів шуму в довгохвильових фотодіодах n+-p-типу.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Показана можливість одночасного визначення величини градієнта складу та вигляду залежності ширини забороненої зони від товщини у варізонних плівках HgCdTe, яка базується на експериментальних вимірах спектрів оптичного пропускання. Мінімальне та максимальне значення Eg визначається із спектрів другої похідної оптичної густини, а залежність Eg(z) - зі співставлення експериментальних та розрахованих в рамках квазікласичного наближення спектрів пропускання. Отримані результати являються основою для розробки методики неруйнівного експресного аналізу градієнта складу у варізонних епітаксійних плівках. Шляхом математичного моделювання на ЕОМ та експериментальних досліджень встановлено, що вказана методика може бути використана для знаходження відносно невеликих значень градієнта складу (середнє значення напруги внутрішнього електричного поля, зумовленого градієнтом, Е0 Ј 60 В/см).

Необхідними умовами для використання вказаної методики є наступні:

а) спектральні залежності оптичної густини та її другої похідної можуть бути розраховані в рамках квазікласичного наближення;

б) відомий локальний коефіцієнт поглинання світла.

2. Вперше експериментально досліджені спектри фотопровід-ності у варізонних плівках Hg1-xCdxTe, вирощених методом РФЕ р- і n-типу провідності та спектри фотовідгуку у фотодіодах n+-p та p+-n типу на їх основі, вивчено вплив величини градієнта складу на вигляд спектра, його півширину, положення максимуму.

Встановлено, що у варізонних плівках та фотодіодах на їх основі під дією градієнта трансформується перш за все довгохвильова ділянка спектра. Зі збільшенням величини градієнта вона стає менш різкою і зміщується в сторону більш коротких хвиль. Напівширина спектрів, при цьому, зменшується, проте вони залишаються широкополосними, як і у випадку однорідних структур. Такий характер зміни спектрів у варізонних структурах зумовлений тією обставиною, що виконується умова Ln,p>>d для плівок і Ln,p>>w>>Wp,n для фотодіодів (Ln,p - дифузійно-дрейфова довжина неосновних носіїв заряду, d - товщина плівки, w,Wp,n - товщина бази та ширина шару об'ємного заряду фотодіода). З цієї ж причини вигляд спектрів практично не змінюється при зміні напрямку освітлення.

Отримано розв`язки рівняння неперервності та знайдено вирази для спектральних залежностей фотоструму і квантової ефективності у фотодіодах та фоторезисторах на основі варізонних плівок Hg1-xCdxTe. Виконано розрахунки спектрів фотоструму і проведено співставлення з експериментальними даними. Показано, що в режимі освітлення фотодіодів з широкозонної сторони збільшення градієнта приводить до зростання фотоструму і, відповідно, квантової ефективності та коефіцієнта збирання фотозбуджених носіїв, що може знайти практичне застосування при розробці ІЧ фотоприймачів.

3. Вперше знайдено кореляцію між тунельним струмом через глибокі дефектні стани і 1/f шумом у фотодіодах Hg1-xCdxTe (х@0,2ё0,3) n+-p-типу при важливих для практичного використання зворотніх зміщеннях UЈ100 мВ.

Темновий струм у довгохвильових фотодіодах n+-p-типу при зворотніх зміщеннях UЈ100 мВ зумовлений переважно процесами генерації та тунелювання носіїв через глибокий рівень у забороненій зоні Et=0,72 Eg. При цьому існує кореляція між темновим струмом і спектральними залежностями шуму, суть якої полягає у зростанні 1/f шуму при збільшенні тунельної складової струму.

Практичне значення одержаних результатів. Практичну цінність мають майже всі результати, котрі були одержані при виконанні цієї роботи. Ряд висновків та результатів є важливими для конструювання та вдосконалення приладів інфрачервоної фотоелектроніки. Зокрема, результати досліджень оптичних та фотоелектричних характеристик епітаксійних шарів HgCdTe, вирощених методом РФЕ представляють інтерес з метою визначення однорідних за хімічним складом ділянок епітаксійних шарів для виготовлення однакових за спектральним складом фотодіодів багатоелементних та матричних пристроїв. Вивчення механізмів струмопроходження та шумових характеристик фотодіодів є важливим для визначення, в залежності від якості фотодіодів, оптимальної напруги зміщення у лінійках фотоприймачів та пристроях зчитування інформації.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом була проведена робота, пов'язана з пошуком та узагальненням наукових публікацій по темі дисертації, зроблена структуризація дисертації. В дисертаціній роботі узагальнені результати експериментальних досліджень, виконаних автором особисто. Теоретичний аналіз виконаний спільно із співавторами публікацій. В роботах, що увійшли в дисертацію авторові належить ініціатива у постановці задач, безпосередня участь у їх виконанні і отриманні результатів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, представлених у дисертації, доповідались на наступних конференціях: International Conference on “Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics” (Київ, 1997), IX науково-технічна конференція “Хімія, фізика і технологія халькогенідів та халькогалогенідів” (Ужгород, 1998), IV International Conference on “Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics” (Київ, 1998), Third International School-Conference “Physical problems in material science of semiconductors” (Чернівці, 1999), “The VII International Conference of Physics and Technology of Thin Films” (Івано-Франківськ, 1999).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 4 статтях та у 5 тезах конференцій.

Структура і обcяг дисертації. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Кожен з оригінальних розділів містить короткий вступ, в якому розкрита суть питання та сучасний стан проблем, розглянутих у розділі, опис методик проведених експериментальних досліджень, основних результатів і висновків.

Дисертація містить 144 сторінки машинописного тексту, включаючи 28 рисунків, 3 таблиці, а також список цитованої літератури із 111 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність теми досліджень, сформульована мета і визначені задачі досліджень, показана наукова новизна та практичне значення одержаних результатів. Там же приведені відомості, пов'язані з апробацією результатів дисертації.

Розділ перший дисертації присвячений дослідженню градієнта складу в плівках Hg1-xCdxTe (х@0,2ё0,3) р-типу провідності, вирощених методом рідкофазної епітаксії. На початку розділу приведений огляд літератури по даній проблемі та описана методика вимірювання оптичного пропускання.

Відомо, що в епітаксійних плівках Hg1-xCdxTe, вирощених методом рідкофазної епітаксії, можуть виникати просторові варіації складу “х” і, як наслідок, ширини забороненої зони Еg, які пов'язані з досить великими значеннями коефіцієнта DEg/Dx»0.019 еВ/мол.%. Як показано в [1] дослідження спектральних залежностей оптичного пропускання плівок є одним з методів, який дозволяє встановити якісний і кількісний характер просторових варіацій Еg. До його переваг належить неруйнівний характер, відносна простота, досить висока точність та швидкість виконання.

Якщо просторова варіація Eg мало змінюється на довжині хвилі світла в середовищі, для аналізу оптичних властивостей можна використати квазікласичне наближення [2]. Оскільки коефіцієнт поглинання не є в цьому випадку характеристикою всієї плівки, слід користуватися поняттям оптичної густини D. Спектральна залежність D(hw) визначається інтегралом

(1)

де d - товщина плівки, a(w, z) - локальний коефіцієнт поглинання світла, Egmin і Egmax - мінімальна і максимальна ширина забороненої зони при z=0 і z=d, відповідно. З виразу (1) слідує, що для розрахунку D(hw) необхідно знати значення Egmin і Egmax, а також локальний коефіцієнт поглинання a(w, Eg). Вибираючи градієнт ¶Eg/¶z в якості підгоночного параметра, із співставлення розрахункових та експериментальних залежностей D(hw) можна встановити профіль Eg(z) в досліджуваній плівці, що і було завданням даної роботи.

Досліджувані епітаксійні плівки Hg1-xCdxTe, вирощені методом РФЕ на підкладках CdTe і CdZnTe діаметром ~20 мм і були орієнтовані вздовж кристалографічного напряму (111). Товщина плівок складала 15ё35 мкм. Плівки р - типу провідності мали концентрацію дірок (0.8-4) 1016 см-3 при температурі Т=77 К.

Розрахунки D(hw) були виконані за наступною методикою. Спектральний діапазон розділявся на три характерних ділянки: , , . На першій поглинання здійснюється тільки за участю експоненційних хвостів густини станів (урбахівський край). На другій ділянці до вказаного механізму поглинання додаються прямі переходи для фотонів, які мають енергію , а на третій поглинання здійснюється тільки за рахунок прямих переходів із зони легких і важких дірок в зону провідності. Для розрахунків D(hw) за участю прямих переходів на другій і третій ділянках використовувався апроксимаційний вираз

(2)

де =1.26Ч10-4 см-1 - константа, яка не залежить від складу х, а Eg1@Eg.

Експериментальні і розрахункові спектральні залежності пропускання при Т=300 К показані на рис.1. Розрахунки виконувалися для двох профілів Еg(z) - лінійного і експоненційного. В останньому випадку профіль апроксимувався виразом:

Eg(z)=E0+bЧexp(сЧz), (3)

де сталі Е0, b, с визначалися для значень z=0 і z=d, при умові, що відомі Egmin і Egmax. Для їх визначення в роботі використовувалась наступна процедура. В однорідному матеріалі друга похідна коефіцієнта поглинання має особливість при . Якщо коефіцієнт міжзонного поглинання a~, то характер цієї особливості ¶2a/¶(hw)2~. Якщо ж край поглинання формується з участю експоненційних “хвостів” густини станів, то легко пересвідчитись у тому, що друга похідна в точці Eg буде змінювати знак. Внаслідок того, що в градієнтних структурах край поглинання поступово зміщується від Egmin до Egmax, в цих точках має особливості друга похідна оптичної густини D(hw). Експериментальні і розрахункові залежності другої похідної оптичної густини показані на рис.2. Як видно, на кривих є два екстремуми, енергетичне положення яких ідентифікувалося із значеннями Egmin і Egmax.

Співставляючи розрахункові та експериментальні залежності T(hw) можна зробити наступні висновки. При наявності градієнта ширини забороненої зони залежності T(hw) зсуваються в короткохвильову область у порівнянні із залежностями, одержаними при його відсутності. Величина зсуву при цьому більша для лінійного профілю у порівнянні з експоненційним. Різниця між розрахованими кривими T(hw) для різних профілів Eg(z) зменшується при зменшенні величини градієнта. Як показує аналіз, проведений для зразків з різними градієнтами складу, цей зсув визначається, в основному, величиною градієнта ¶Eg/¶z в приповерхневих шарах плівки і в меншій мірі поблизу межі розділу плівка-підкладка.

Використовуючи знайдені при Т=300 К залежності Еg(z) і апроксимаційний вираз для Еg(x)

(4)

де Еg береться в еВ, а T - в градусах К, були розраховані профілі складу x(d), рис.3.

Cклад зразків визначався також незалежним методом за допомогою локального рентгенівського мікроаналізатора COMEBAX на сколах досліджуваних зразків плівок (рис.3). В межах похибок вимірювань дані, знайдені двома методами, співпадають.

Визначені при кімнатній температу-рі профілі x(d) були використані також для розрахунків спектрів D(hw) при температурі 82 К. Pозрахункові криві досить добре описують виміряні на експерименті. З цього можна зробити висновок, що провівши описаний вище аналіз T(hw) при кімнатній температурі, можна прогнозувати вигляд спектральних залежностей фотовідгуку плівок Hg1-xCdxTe з градієнтом складу при кріогенних температурах, а також спектральні області застосування фотоприймачів на їх основі.

На початку другого розділу узагальнені існуючі на даний момент дані, пов'язані з дослідженням фотоелектричних властивостей епітаксійних плівок Hg1-xCdxTe з градієнтом складу і фотодіодів на їх основі. Далі приведений опис методики для вимірювання фотоелектричних характеристик.

Вплив градієнта ширини забороненої зони на спектри фотоструму досліджувався в епітаксійних шарах HgCdTe та фотодіодах на їх основі. Профіль Eg(z) плівок визначався за допомогою вимірів спектральних залежностей пропускання при послідовному стравлюванні їх товщини у бромному травнику. Після кожного травлення вимірювалясь також спектральна залежність фотопровідності (рис.4). Співставлення експериментально виміряних та розрахованих спектрів фотоструму було виконано для плівок і фотодіодів з невеликим градієнтом (Е0 Ј 30 В/см). В цьому випадку залежність ширини забороненої зони від товщини може бути апроксимована лінійною функцією. За таких умов для знаходження розподілу концентрації електронів по товщині було розв'язане рівняння неперервності

(5)

(де Dn - концентрація фотогенеро-ваних носіїв, G(z, hw) - швидкість оптичної генерації, Ln - дифузійна довжина електронів) з гранични-ми умовами для фотодіода

, Dn(Wp)=0

і для фото резистора

,

де m=qE0/2kT, Sn - швидкість поверхневої рекомбінації, Wp - ширина шару об'ємного заряду.

Розв'язки (5) були використані для розрахунку спектральних залежностей фотоструму у фоторезисторі та фотодіоді на основі Hg1-xCdxTe з градієнтом складу. На рис.5 приведений приклад розрахунку (крива 1) експериментального спектра фотовідгуку (точки) фотодіода з градієнтом складу (Egmin=0.107 eВ, Е0=30 В/см). Для порівняння показаний спектр фотодіода, виготовленого на основі однорідного матеріалу.

У третьому розділі дисертації досліджено темновий струм та 1/f шум у фотодіодах Hg1-xCdxTe (х@0.22) n+-p типу. Розділ починається з аналізу літературних даних по вказаній проблемі та опису відповідних експериментальних методик.

У роботі досліджувались фотодіоди зі складу багатоелементних лінійок. Фотодіоди формувалися методом іонної імплантації атомів бору з енергіями 100-140 кеВ і дозами 1012-1014 см-2. Вихідними матеріалами служи-ли РФЕ плівки Hg1-xCdxTe р-типу провідності з концентрацією носіїв p@(1-2)Ч1016 см-3 (Т=77 К). Вимірювання спектральної густини енергії шуму були проведені в частотному інтервалі 0,7ё104 Гц. Експериментальні та обчислені вольт-амперні характеристики (ВАХ) досліджених фотодіодів показані на рис.6. Для того, щоб виявити кореляцію між темновим струмом та шумовими характеристиками, досліджувались фотодіоди з різним типом ВАХ. У фотодіодах з R0A@1,0 OмЧсм2 на зворотних вітках ВАХ спостерігається тенденція до насичення в інтервалі зміщень UЈ0,1 В (рис.6, а), що характерно для надбар'єрних механізмів переносу заряду. У фотодіодах з більш низьким динамічним опором ВАХ набувають вигляду, характерного для так званого “м'якого пробою” (рис.6, б), що може свідчити про зростання тунельної складової струму. В загальному випадку при температурах близьких до 77 К темновий струм фотодіода складається з декількох складових: об'ємного дифузійного струму, генераційно-рекомбінаційного струму в збідненій області, струму тунелювання через глибокі дефектні центри, струму міжзонного тунелювання і поверхневого струму “втрат”. При обчисленнях було взято до уваги кілька складових: об'ємний дифузійний струм, генераційний струм в збідненій області і струм тунелювання через глибокі центри. При цьому враховувалося, що переходи з валентної зони на глибокі дефектні стани у забороненій зоні відбуваються за рахунок термічного і тунельного механізмів, а з глибоких станів у зону провідності - за рахунок лише тунельного механізму. Темновий струм, зумовлений міжзонним тунелюванням не брався до уваги, оскільки дослідження були проведені при нульовому і малих зворотніх зміщеннях (U Ј 0.1 В). У відповідності з переліченими вище механізмами транспорту носіїв показано, що описати експериментальні ВАХ, показані на рис.6, вдається підгонкою одного параметра - концентрації тунельних центрів Nt. При цьому у всіх діодах енергія рівня, через який відбувається тунелювання, залишається незмінною Et=0,72Eg.

Типові спектри шуму, виміряні при 77 К показані на рис. 7 разом з розрахунковими кривими. Як можна бачити кожна крива шуму складається з частотно-залежної та частотно-незалежної ділянок, які можуть бути віднесені до 1/f шуму і генераційно-рекомбінаційного шуму, відповідно. Перехідна область між ними чітко виражена і зсувається в сторону вищих частот при збільшенні вкладу тунельної складової у загальний темновий струм.

Кореляція між 1/f шумом і тунельним темновим струмом спостерігалася раніше при переважно високих напругах зворотного зміщення Uі200 мВ. В нашому випадку кореляція виявлена при малих зворотніх зміщеннях UЈ100 мВ. Отримані результати є важливими, оскільки фотодіоди HgCdTe в основному використовуються при нульовому та низьких зворотніх зміщеннях, зумовлених їх управлінням. Розрахунки 1/f шуму проводилися за формулою

(7)

де струм JTAT - струм тунелювання через глибокі центри. Для узгодження експериментальних та розрахункових даних константа a приймала значення від 10-8 до 10-7. Тунелювання через глибокі дефектні стани в забороненій зоні можна вважати джерелом обох явищ: і темнового струму, і 1/f шуму. Також слід відзначити, що не спостерігалася кореляція між генераціно-рекомбінаційним струмом в збідненій області і 1/f шумом.

Висновки

1. Дослідження оптичного пропускання дозволяють зробити кількісний та якісний аналіз градієнта ширини забороненої зони в епітаксійних плівках HgCdTe. Спектральні залежності оптичного пропускання Т(hw)в плівках Hg1-xCdxTe, вирощених методом РФЕ на підкладках CdTe та CdZnTe, з градієнтом ширини забороненої зони є чутливими як до абсолютної величини градієнта, так і до вигляду залежності Eg(z) - лінійна вона, чи експоненційна. Значення Egmin та Egmax з достатньою точністю можуть бути визначені з аналізу другої похідної оптичної густини, при умові, що величина градієнта не дуже велика (DEg= Egmax- Egmin<0.2 еВ). В меншій мірі спектри оптичного пропускання чутливі до вибору локального коефіцієнта поглинання.

2. Експериментальні дослідження спектральних залежностей Т(hw) в РФЕ Hg1-xCdxTe з градієнтом складу, проведені при кімнатній температурі дозволяють передбачити спектральну залежність фотопровідності при температурі 77 К.

3. Вимірювання спектрів фотовідгуку та фотопровідності дозволяють виявляти досить малі градієнти складу (Dх@0.005) у HgCdTe РФЕ шарах та діодних структурах на їх онові. Вплив градієнта складу на фотоелектричні властивості проявляється у розширенні їх довгохвильової межі та зміщенні спектра у короткохвильову область. В плівках р-типу з градієнтом складу і фотодіодах n+-p типу на їх основі спостерігається широкополосний спектр, оскільки дифузійно-дрейфові дожини електронів набагато більші за товщину плівки (товщину бази і шару об'ємного заряду у фотодіодах).

4. Виміряно та обчислено темновий струм у фотодіодах Hg1-xCdxTe (х@0.22) n+-p типу при 77 К. Знайдено, що при малих зворотних зміщеннях домінуючими механізмами транспорту носіїв є генерація в збідненій області та тунелювання через глибокі дефектні стани. З узгодження експериментальних та розрахункових даних знайдено величини концентрації тунельних центрів (1013-1015 см-3) і їх енергії (0.72 Eg). Виміряний 1/f шум при низьких зворотних зміщеннях може бути зумовлений тунельним темновим струмом через глибокі дефектні стани.

Основні результати дисертації опубліковані у таких роботах

1. Z.F. Ivasiv, V.V.Tetyorkin, F.F.Sizov and V.A.Petryakov. Optical Properties of Hg1-xCdxTe/CdTe Epitaxial Films With Graded Band Gap // Proc. SPIE. 1998. v.3890. P. 82-86.

2. В.В. Тетьоркін, З.Ф. Івасів, Ф.Ф. Сизов. Край поглинання варізонних плівок Hg1-xCdxTe, вирощених методом рідкофазної епітаксії // УФЖ. 1999. т.44, N9. С. 1128-1132.

3. Z.F. Ivasiv, V.V. Tetyorkin and F.F. Sizov. Noise spectra and dark current investigations in n+-p-type Hg1-xCdxTe (x@0.22) photodiodes // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 1999. v.2, N3. P. 21-25.

4. З.Ф. Івасів, Ф.Ф. Сизов, В.В. Тетьоркін. Оптичні властивості епітаксійних плівок Hg1-xCdxTe/CdTe з градієнтом ширини забороненої зони // Доповіді НАНУ. 1999. N11. C. 92-96.

5. Z.F. Ivasiv, V.A. Petryakov, F.F. Sizov, V.V. Tetyorkin. Optical and photoelectrical investigations of HgCdTe-CdTe (CdZnTeSe) heterosystems // Proc. International Conf. on Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics.Kiev (Ukraine). 1997. P. 177.

6. Z.F. Ivasiv and V.V. Tetyorkin. Investigation of infrared transmission in Hg1-xCdxTe/CdTe epitaxial films with graded band gap// Тези доповідей IX науково-технічної конференції “Хімія, фізика і технологія халькогенідів та халькогалогенідів”. Ужгород. 1998. С. 161.

7. Z.F. Ivasiv, V.V. Tetyorkin, F.F. Sizov and V.A. Petryakov. Optical and photoelectrical properties of Hg1-xCdxTe/CdTe epitaxial films with graded band gap// Proc. IV International Conf. on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics.Kyiv (Ukraine). 1998. P. 35.

8. Z.Ivasiv, V.Tetyorkin and F.Sizov. Noise and dark current investigations in Hg1-xCdxTe photodiodes//The 7th international conference of physics and technology of thin films. Ivano-Frankivsk (Ukraine). 1999. P. 71.

9. Z. Ivasiv, V. Tetyorkin and F. Sizov. Noise and dark current studies in Hg1-xCdxTe photodiodes// Third intern. School-conference: Physical problems in material science of semiconductors.Chernivtsi (Ukraine). 1999. P. 278.

Анотація

Івасів З.Ф. Дослідження впливу градієнта складу і дефектів гратки на оптичні, фотоелектричні властивості та механізми переносу заряду в твердих розчинах HgCdTe і фоточутливих структурах на їх основі.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла.- Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2000.

Дисертація присвячена експериментальному та теоретичному вивченню епітаксійних плівок Hg1-xCdxTe з градієнтом складу та діодних структур на їх основі. Показана можливість визначення величини градієнта (внутрішнього електричного поля) і вигляду залежності ширини забороненої зони від товщини плівки із вимірів оптичного пропускання. Досліджена трансформація спектрів фотоструму в епітаксійних шарах Hg1-xCdxTe та фотодіодах на їх основі, спричинена градієнтом складу. У роботі досліджено темновий струм та спектри шуму в фотодіодах, при нульовому та малих зворотніх зміщеннях UЈ0.1 В. Доведено, що 1/f шум корелює з тунельним струмом через глибокі дефектні стани в забороненій зоні.

Ключові слова: Hg1-xCdxTe, градієнт складу, оптичне пропускання, фотострум, ІЧ фотодіод, темновий струм, 1/f шум.

Аннотация

Ивасив З.Ф. Исследование влияния градиента состава и дефектов решетки на оптические, фотоэлектрические свойства и механизмы переноса заряда в твердых растворах HgCdTe и фоточувствительных структурах на их основе.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию эпитаксиальных слоев Hg1-xCdxTe с градиентом состава и диодных структур на их основе. Показана возможность определения величины градиента (встроенного электрического поля) и вида зависимости ширины запрещенной зоны от толщины образца по измерениям оптического пропускания. Исследована трансформация спектра фототока в эпитаксиальных слоях Hg1-xCdxTe и фотодиодах на их основе, вызванная градиентом состава. В роботе исследован темновой ток и спектры шума в фотодиодах при нулевом и небольших обратных смещениях UЈ0.1 В. Доказано, что 1/f шум коррелирует с тунельным током через глубокие ловушки в запрещенной зоне.

Ключевые слова: Hg1-xCdxTe, градиент состава, оптическое пропускание, фототок, ИК фотодиод, темновой ток, 1/f шум.

Summary

Ivasiv Z.F. Investigation of an influence of a composition gradient and lattice defects on optical, photoelectrical properties and carrier transport in HgCdTe solid solutions and photosensitive structures on their basis.

Thesis for scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences on specialty 01.04.07 - Solid State Physics. Institute of Physics of Semiconductors of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000.

The thesis is dedicated to theoretical and experimental investigation of Hg1-xCdxTe epitaxial films with composition gradient and photodiodes on their basis.

Theoretical and experimental study of an optical transmission spectra are performed. Within the framework of semiclassical approach the analysis of spectral dependencies of an optical density and transmission is made. The values of the band gap gradient were derived from the spectra of the second derivative of the optical density. This allows one to determine exact shape of the composition profile using the fitting procedure. The data obtained from the transmission measurements were shown to compare well with those ones determined from the independent measurements.

The photocurrent in HgCdTe photodiodes and photoresistors prepared on epitaxial films with composition gradient is investigated. The continuity equation is solved for the linearly graded region under backside illumination conditions. The composition profile in the starting films was derived from the optical transmisiion measurements. The transformation of the photocurrent spectra caused by the composition grading was experimentally observed. Experimental and calculated data are compared with the data obtained for homogeneous compounds to make conclusion on the influence of the built-in electric field on the photoelectric properties of HgCdTe infrared detectors.

The dark current and noise spectra are investigated at zero and small reverse bias voltages UЈ0.1 V in n+-p type Hg1-xCdxTe (x»0.22). The 1/f noise is shown to be correlated with the tunnel current through deep defect states in the gap located at energy E»0.72Eg. above the top of the valence band. Their density and cross section were estimated from the fitting procedure and are as follows: Nt,=1013ё1016 cm-3, Ср=10-7ё10-6 cm-3/s. The preliminary analysis shows that the states in the gap can be attributed to the native defects composed from Hg vacancy and impurity atom unintentionally introduced to the crystal.

Key words: Hg1-xCdxTe, composition gradient, optical trasmission, infrared photodiode, dark current, 1/f noise.

Размещено на Allbest.ru