Введение
В настоящее время тем, кто более-менее знаком сполупроводниковыми технологиями, сочетание букв КРТ – не пустой звук, адовольно обширная тема. Твердые растворы на основе КРТ доказали на практикесвои преимущества, и областей, где их используют, сейчас довольно много. Тепловизионнаятехника, основанная на применении фотоприемников инфракрасного ИК-диапазона надлины волн 1–30 мкм, используется в различных областях народного хозяйства:ИспользованиеИК-фотоприемников на основе КРТ
§ – химическаяпромышленность;
§ – металлургиячерных и цветных металлов;
§ – медицина(ранняя диагностика раковых опухолей и других заболеваний);
§ – геология(поиск нефтегазовый, рудных и нерудных месторождений и геотермальных вод);
§ – городскоехозяйство (для обнаружения скрытых утечек тепла, горячей и холодной воды втеплотрассах и водопроводной сети, обнаружение карстовых полостей в районахмассовой застройки, обнаружение нарушения изоляции электропроводки);
§ – сельскоехозяйство (контроль увлажнения и иссушения почв, состояние посевов с/х культур,выявление поражения вредителями и болезнями посевов и т.д.);
§ – лесноехозяйство (выявление массового поражения леса вредителями, обнаружение очаговлесных пожаров при значительном задымлении);
§ – экология(тепловые загрязнения рек и водоёмов, загрязнения воздушного бассейна выбросамиэлектростанций и других промышленных предприятий, наблюдение за миграциейподземных вод – отходов металлургической и химической промышленности);
§ – контрольи диагностика чрезвычайных ситуаций;
§ – энергетика(дистанционный контроль предаварийных ситуаций крупных энергетическихобъектов).
В чем жесекрет успеха этих соединений?
Ведь если разобраться, в настоящее время у HgCdTe много большеконкурентов, чем когда-либо прежде. К ним относятся кремниевые диоды с барьеромШоттки, гетеропереходы SiGe, структуры с множеством квантовых ям на основе AlGaAs, сверхрешетки на основенапряженных слоев GalnSb, высокотемпературные сверхпроводники, а также два типа тепловыхдетекторов: пироэлектрические детекторы и кремниевые болометры. Однако ни одиниз вышеперечисленных детекторов не может конкурировать с HgCdTe по фундаментальнымсвойствам. Они могут быть более технологичными, но никогда не смогут обеспечитьболее высокие рабочие характеристики или, за исключением тепловых детекторов,функционировать при более высоких или даже сравнимых температурах.
Особыепреимущества HgCdTe – прямая запрещенная зона, возможность получать как низкую,так и высокую концентрацию носителей заряда, высокую подвижность электронов инизкую диэлектрическую постоянную. Чрезвычайно малое изменение периодакристаллической решетки с изменением состава позволяет выращиватьвысококачественные многослойные структуры и структуры со ступенчатой шириной запрещеннойзоны. HgCdTe может использоваться для детекторов, работающих в различныхрежимах, а также может быть оптимизирован для использования в диапазонетемператур от жидкого гелия до комнатной в чрезвычайно широком диапазонеИК-спектра (1–30 мкм). Такойширокий диапазон длин волн дает и широкие областиприменения.
1.Теоретические основы фотопроводимости./>Типы проводимостей полупроводников 1.1 Собственнаяпроводимость
Собственными полупроводниками являются химически чистыеполупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью.Примером собственных полупроводников могут служить химически чистые Ge, Si, а также многиехимические соединения: InSb, GaAs, CdS и др.
При 0 К и отсутствии других внешних факторов собственныеполупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении же температурыэлектроны с верхних уровней валентной зоны I могут быть переброшенына нижние уровни зоны проводимости I I (рис. 1:3). При наложении на кристаллэлектрического поля они перемещаются против поля и создают электрический ток.Таким образом, зона I I из-за ее частичного «укомплектования» электронами становитсязоной проводимости. Проводимость собственных полупроводников, обусловленнаяэлектронами, называется электронной проводимостью или проводимостью n-типа.
/>
Рис. 1 Схемы проводимости п/п:1, а), б) примеснаяс донорной примесью; 2, а), б) примесная с акцепторной примесью; 3), 4)собственная.
В результате тепловых забросов электронов из зоны I в зону I I в валентной зоне возникаютвакантные состояния, получившие название дырок. Во внешнем электрическомполе на освободившееся от электрона место – дырку – может переместитьсяэлектрон с соседнего уровня, а дырка появится в том месте, откуда ушелэлектрон, и т. д. Такой процесс заполнения дырок электронами равносиленперемещению дырки в направлении, противоположном движению электрона, так, какесли бы дырка обладала положительным зарядом, равным по величине зарядуэлектрона.
Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами– дырками, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа.
Такимобразом, в собственных полупроводниках наблюдаются два механизма проводимости –электронный и дырочный. Число электронов в зоне проводимости равно числу дырокв валентной зоне, таккак последние соответствуют электронам,возбужденным в зону проводимости. Следовательно, если концентрации электроновпроводимости и дырок обозначить соответственно ne иnр, тоne=nр.
Проводимостьполупроводников всегда является возбужденной, т.е. появляется только поддействием внешних факторов (температуры, облучения, сильных электрических полейит.д.).
В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в серединезапрещенной зоны (рис. 1:4). Действительно, для переброса электрона с верхнегоуровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости затрачивается энергияактивации, равная ширине запрещенной зоны ΔE. Припоявлении жеэлектрона в зоне проводимости в валентной зоне обязательно возникает дырка.Следовательно, энергия, затраченная на образование пары носителей тока, должнаделиться на две равные части. Так как энергия, соответствующая половине ширинызапрещенной зоны, идет на переброс электрона и такая же энергия затрачиваетсяна образование дырки, то начало отсчета для каждого из этих процессов должнонаходиться в середине запрещенной зоны. Энергия Ферми в собственномполупроводнике представляет собой энергию, от которой происходит возбуждениеэлектронов и дырок. 1.2 Примеснаяпроводимость
Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примеснойпроводимостью, а сами полупроводники – примесными полупроводниками.Примесная проводимость обусловлена примесями (атомы посторонних элементов), атакже дефектами типа избыточных атомов (посравнению состехиометрическим составом), тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) имеханическими (трещины, дислокации и т.д.) дефектами. Наличие в полупроводникепримеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремнийпримерно 0,001 ат.% бора его проводимость увеличивается примерно в 106 раз.
Примеснуюпроводимость полупроводников рассмотрим на примере Ge и Si, в которые вводятсяатомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов на единицу.Например, при замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка (рис. 1:1.а)один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним иможет быть легко при тепловых колебаниях решетки отщеплен от атома, т. е. статьсвободным. Образование свободного электрона не сопровождается нарушениемковалентной связи; следовательно, в отличие от случая, рассмотренного выше,дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атомапримеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может.
С точки зрения зонной теории рассмотренный процесс можно представитьследующим образом (рис. 1:1.б). Введение примеси искажает поле решетки,что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электроновмышьяка, называемого примесным уровнем. В случае германия с примесьюмышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии ΔЕD = 0.013 эВ. Так как ΔЕD kT, то уже при обычныхтемпературах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы переброситьэлектроны примесного уровня в зону проводимости; образующиеся при этомположительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и впроводимости не участвуют.
Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которойна единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являютсяэлектроны; возникает электронная примесная проводимость(проводимость n-типа). Полупроводники с такой проводимостьюназываются электронными (или полупроводниками n-типа). Примеси, являющиесяисточником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этихпримесей – донорными уровнями.
Предположим, что в решетку кремния введен примесный атом с тремявалентными электронами, например бор (рис. 1:2.а). Для образования связей счетырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона, одна изсвязей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен отсоседнего атома основного вещества, где соответственно образуется дырка.Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентнодвижению дырок в полупроводнике, т.е. дырки не остаются локализованными, аперемещаются в решетке кремния как свободные положительные заряды. Избыточныйже отрицательный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примесии по решетке перемещаться не может.
По зонной теории, введение трехвалентной примеси в решетку кремнияприводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня А,не занятого электронами. В случае кремния с примесью бора этот уровеньрасполагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии ΔЕА= 0.08 эВ (рис. 1:2.б). Близость этих уровней к валентной зоне приводит ктому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоныпереходят на примесные уровни и, связываясь с атомами бора, теряют способностьперемещаться по решетке кремния, т.е. в проводимости не участвуют. Носителямитока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.
Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентностькоторой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями тока являютсядырки; возникает дырочная проводимость (проводимость р-типа).Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводникамир-типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника,называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей – акцепторнымиуровнями.
В отличие от собственной проводимости, осуществляющейсяодновременно электронами и дырками, примесная проводимость полупроводниковобусловлена в основном носителями одного знака: электронами – в случае донорнойпримеси, дырками – в случае акцепторной. Эти носители тока называются основными.Кроме основных носителей в полупроводнике имеются и неосновные носители: вполупроводниках n-типа – дырки, в полупроводниках р-типа – электроны.
/>
Рис.2 а) расположение уровня Ферми в п/п n-типа при 0 К;
б) расположение уровня Ферми в п/п p-типа при 0 К;
в) график зависимости ln/> от 1/Т для примесногоп/п.
Наличие примесных уровней в полупроводниках существенно изменяетположение уровня Ферми EF. Расчеты показывают, чтов случае полупроводников n-типа уровень Ферми EFoпри 0 К расположенпосередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем (рис. 2, а).
С повышением температуры все большее число электронов переходит издонорных состояний в зону проводимости, но, помимо этого, возрастает и числотепловых флуктуаций, способных возбуждать электроны из валентной зоны иперебрасывать их через запрещенную зону энергий. Поэтому при высокихтемпературах уровень Ферми имеет тенденцию смещаться вниз (сплошная кривая) ксвоему предельному положению в центре запрещенной зоны, характерному длясобственного полупроводника.
Уровень Фермив полупроводниках р-типа при Т = 0 К EFo располагается посерединемежду потолком валентной зоны и акцепторным уровнем (рис. 2, б). Сплошнаякривая опять-таки показывает его смещение с температурой. При температурах, прикоторых примесные атомы оказываются полностью истощенными и увеличениеконцентрации носителей происходит за счет возбуждения собственных носителей,уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны, как в собственном полупроводнике.
Проводимостьпримесного полупроводника, как и проводимость любого проводника, определяетсяконцентрацией носителей и их подвижностью. С изменением температуры подвижностьносителей меняется по сравнительно слабому степенному закону, а концентрацияносителей – по очень сильному экспоненциальному закону, поэтому проводимостьпримесных полупроводников от температуры определяется в основном температурнойзависимостью концентрации носителей тока в нем. На (рис. 2, в) дан примерный графикln σ от 1/Т дляпримесных полупроводников. Участок АВ описывает примесную проводимостьполупроводника. Рост примесной проводимости полупроводника с увеличениемтемпературы обусловлен в основном повышением концентрации примесных носителей.Участок ВС соответствует области истощения примесей, участок CDописывает собственнуюпроводимость полупроводника.Фотопроводимостьполупроводников
Увеличение электропроводности полупроводников может бытьобусловлено не только тепловым возбуждением носителей тока, но и под действиемэлектромагнитного излучения. В таком случае говорят о фотопроводимостиполупроводников. Фотопроводимость полупроводников может быть связана сосвойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первомслучае при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощенияполупроводника т. е. когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещеннойзоны (hν ≥ ∆E), могут совершаться перебросы электронов извалентной зоны в зону проводимости (рис. 3, а), что приведет к появлениюдобавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (ввалентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость,обусловленная электронами и дырками.
/>
Рис.3 Схемы фотопроводимости полупроводника:
а) собственная ф/п;
б) примесная ф/п, донорная примесь, п/п n-типа;
в) примесная ф/п, акцепторная примесь, п/п p-типа.
Если полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость можетвозникать и при hν E: для полупроводников с донорной примесью фотондолжен обладать энергией hν ≥ ∆ED, а для полупроводников сакцепторной примесью hν ≥ ∆EA. При поглощении светапримесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зонупроводимости в случае полупроводника n-типа (рис. 3, б)или из валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника р-типа(рис. 3, в). В результате возникает примесная фотопроводимость,являющаяся чисто электронной для полупроводников n-типа и чисто дырочнойдля полупроводников р-типа.
Из условия hν = hc/λ можно определить краснуюграницу фотопроводимости – максимальную длину волны, при которой ещефотопроводимость возбуждается:
для собственных полупроводников λ0= hc/∆E
для примесных полупроводников λ0= hc/∆Eп
(∆Eп – в общем случае энергия активации примесныхатомов).
Учитывая значения ∆E и ∆Eп для конкретныхполупроводников, можно показать, что красная граница фотопроводимости длясобственных полупроводников приходится на видимую область спектра, дляпримесных же полупроводников – на инфракрасную.
Тепловое или электромагнитное возбуждение электронов и дырок можети не сопровождаться увеличением электропроводности. Одним из таких механизмовможет быть механизм возникновения экситонов. Экситоны представляют собойквазичастицы – электрически нейтральные связанные состояния электрона и дырки,образующиеся в случае возбуждения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны.Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоныэлектрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит кпоявлению дополнительных носителей тока, вследствие чего экситонное поглощениесвета не сопровождается увеличением фотопроводимости.Прямозонныеи непрямозонные полупроводники и их фотопроводимость
Прямозонныеполупроводники, такие как арсенид галлия, начинают сильно поглощать свет, когдаэнергия кванта превышает ширину запрещённой зоны. Такие полупроводники оченьудобны для использования в оптоэлектронике. Эти полупроводниковые материалыимеют прямую запрещенную зону, как показано на рис. 4.б. В данном случаеэлектроны валентной и зон проводимости имеют близкие импульсы, потому высокавероятность прямых излучательных переходов и, следовательно, высока внутренняяквантовая эффективность.
Непрямозонныеполупроводники, например, кремний, поглощают в области частот света с энергиейкванта чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее, только благодарянепрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, иследовательно, от температуры. Граничная частота прямых переходов кремниябольше 3 эВ, то есть лежит в ультрафиолетовой области спектра.
Известно, что Si, Ge – непрямозонныеполупроводники. Это означает, что электрон, находящийся вблизи дна зоныпроводимости, имеет импульс, отличающийся от импульса электрона, находящегосявблизи потолка валентной зоны. Это определение иллюстрирует рис. 4.а, изкоторого видно, что в данном случае зона-зонный переход возможен только приусловии компенсации импульсов электронов.
/>
Рис. 4 Схемы рекомбинации
а) в непрямозонном п/п, б) в прямозонном п/п\\
Она может происходить, если при рекомбинацииизлучается фотон высокой энергии, при этом происходит компенсация импульсов игенерируется фонон. Ещё более трудно выполнимым оказывается условиеодновременности этих двух процессов, что приводит к снижению вероятности именнотакого рекомбинационного перехода. Таким образом, в непрямозонных полупроводникахпреобладают безызлучательные переходы, поэтому внутренняя квантоваяэффективность мала.
Полная проводимость полупроводника определяетсяравновесными носителями заряда n0, /p0и фотоносителями />иравна:
/>= e[/>)].
Так как темновая проводимость />, то фотопроводимостьполупроводника, обусловленная непосредственным действием излучения, есть
/>
Отношение фотопроводимости σфк интенсивности света определяет удельную фоточувствительность полупроводника
Sф=/>ф/l.1.3 Преимущества КРТ
За годы развития HgCdTe уменьшился спрос напримесные кремниевые приемники и приемники на соединениях PbSnTe, но, несмотря на это, внастоящее время у HgCdTe много больше конкурентов, чем когда-либо прежде. К ним относятсякремниевые диоды с барьером Шоттки, гетеропереходы SiGe, структуры с множествомквантовых ям на основе AlGaAs, сверхрешетки на основе напряженных слоев GalnSb, высокотемпературныесверхпроводники, а также два типа тепловых детекторов: пироэлектрическиедетекторы и кремниевые болометры. Однако ни один из вышеперечисленныхдетекторов не может конкурировать с HgCdTe по фундаментальным свойствам. Они могут бытьболее технологичными, но никогда не смогут обеспечить более высокие рабочиехарактеристики или, за исключением тепловых детекторов, функционировать приболее высоких или даже сравнимых температурах.
Особыепреимущества HgCdTe – прямая запрещенная зона, возможность получать как низкую, так ивысокую концентрацию носителей заряда, высокую подвижность электронов и низкуюдиэлектрическую постоянную. Чрезвычайно малое изменение периода кристаллическойрешетки с изменением состава позволяет выращивать высококачественныемногослойные структуры и структуры со ступенчатой шириной запрещенной зоны. HgCdTe может использоваться длядетекторов, работающих в различных режимах, а также может быть оптимизировандля использования в диапазоне температур от жидкого гелия до комнатной вчрезвычайно широком диапазоне ИК-спектра (1–30 мкм).
/>Такойширокий диапазондлин волн дает и широкие области применения:Применение ИКфотоприемников.
Тепловизионная техника, основанная на применении фотоприемниковинфракрасного (ИК) диапазона используется в различных областях народногохозяйства:
§ – химическаяпромышленность;
§ – металлургиячерных и цветных металлов;
§ – медицина(ранняя диагностика раковых опухолей и других заболеваний);
§ – геология(поиск нефтегазовый, рудных и нерудных месторождений и геотермальных вод);
§ – городскоехозяйство (используют для обнаружения скрытых утечек тепла, горячей и холоднойводы в теплотрассах и водопроводной сети, обнаружение карстовых полостей врайонах массовой застройки, обнаружение нарушения изоляции электропроводки);
§ – сельскоехозяйство (контроль увлажнения и иссушения почв, состояние посевов с/х культур,выявление поражения вредителями и болезнями посевов и т.д.);
§ – лесноехозяйство (выявление массового поражения леса вредителями, обнаружение очаговлесных пожаров при значительном задымлении);
§ – экология(тепловые загрязнения рек и водоёмов, загрязнения воздушного бассейна выбросамиэлектростанций и других промышленных предприятий, наблюдение за миграциейподземных вод – отходов металлургической и химической промышленности);
§ – контрольи диагностика чрезвычайных ситуаций;
§ – энергетика(дистанционный контроль предаварийных ситуаций крупных энергетических объектов).
– КРТматериал относится к собственным полупроводникам, поэтому чувствительностьдетекторов на его основе выше, чем чувствительность детекторов на основепримесных полупроводников.
— В этомматериале время жизни носителей довольно мало, диэлектрическая постояннаяневелика, поэтому быстродействие детекторов на основе КРТ высокое.
– Возможностьварьировать ширину запрещенной зоны.
– Еще однопреимущество КРТ перед другими материалами заключается в возможности (и этоподтверждено опытными разработками) изготавливать многоэлементные линейные идвумерные матрицы фотодетекторов, чувствительных в спектральном диапазоне 10–12мкм при температуре 77К и в диапазоне 4–6 мкм при температуре 220К (-60 С).Преимущества гетероэпитаксиальныхструктур КРТ по сравнению с объемными кристаллами КРТ.
– Преимуществомструктур является существенное упрощение технологии изготовления ИКфотоприемников. ГЭС (Гетероэпитаксиальные структуры) КРТ не уступают посвойствам объемным кристаллам КРТ, превосходят их по технологичностиизготовления фотоприемников и пригодны для производства многоэлементныхфотоприемников с параметрами, близкими к предельным.
– Этот материал может быть изготовлен с различной ширинойзапрещенной зоны, так что приборы на его основе могут регистрироватьИК-излучение в диапазоне 1.6 – 20 мкм. 1.4 HgCdTe: свойства и технология
С точки зрения фундаментальных свойств HgCdTe – очень привлекательныйматериал, он пользуется большим спросом в течение последних тридцати лет. HgCdTe – полупроводниковыйтвердый раствор со структурой цинковой обманки, чьи свойства меняютсянепрерывно с изменением состава х между фазами бинарных соединений. Длятого чтобы дать полное описание свойств и сказать, как они изменяются с х,необходимо большое число экспериментальных данных. В отличие от сильнойзависимости полупроводниковых свойств от состава, период кристаллическойрешетки CdTe только на 0.3% больше, чем период кристаллической решетки HgTe. Здесь представленыфундаментальные свойства материала, важные при создании ИК-детекторов, а такжесвязанные с технологией.Полупроводниковыесвойства
Рабочиехарактеристики ИК-фотодетекторов определяются следующими основными свойствамииспользуемого полупроводника: шириной запрещенной зоны, собственнойконцентрацией, подвижностями электронов и дырок, коэффициентом поглощения,скоростями тепловой генерации и рекомбинации. Табл. 1 содержит переченьосновных параметров материала.Зонная структура
Электрические и оптические свойства Hg1-xCdxTe определяются структуройзапрещенной зоны вблизи Г-точки зоны Бриллюэна. Формы электронной зоны и зонылегких дырок определяются шириной запрещенной зоны и матричным элементомимпульса. Ширина запрещенной зоны этого соединения при температуре 4.2 Кварьируется от -0,300 эВ для полуметаллического HgTe, проходит ноль при х =0.15 и далее увеличивается до 1.648 эВ для CdTe.
Таблица 1. Физические свойства Hg1-xCdxTe (х = 0; 0.2; 1)Свойства
Т, К. HgTe
Hg0.8Cd0.2Te CdTe
Постоянная решетки А, А 300 6.4614 6.4637 6.4809
Коэф. теплового расширения а, 10 -6 К. 300 4.2 4.1 4.1 Тепловая проводимость С, Вт/(см • К) 300 0.031 0.013 0.057
Плотность р, г/см3 300 8.076 7.630 5.846
Температура плавления Тm, К. 943 940 (тв.)
1050 (жид.) 1365
Ширина запрещенной зоны Eg, эВ 300 -0.1415 0.1546 1.4895 77 -0.2608 0.0830 1.6088 4.2 -0.2998 0.05960 1.6478 Эффективные массы: m* /m 77 0.029 0.0064 0.096 mh*/m 0.35–0.7 0.4–0.7 0.66
Подвижности, см2/(В • с): />е 77
2.5 х105
4x104
/>h
7x102
3.8 х 104
Собственная концентрация ni, см-3 300
3.4 х 1016 77
9.9 х 1013
Статическая диэлектрическая постоянная />h 300 20.8 17.8 10.5
Высокочастотная диэлектрическая постоянная />x 300 15.1 13.0 7.2
Подвижности
Благодаря малым эффективным массам, значенияподвижности электронов в HgCdTe являются высокими, в то время как подвижностьтяжелой дырки – на два порядка ниже. Подвижность электронов определяется рядоммеханизмов рассеяния, включая рассеяние на ионизированных примесях иразупорядоченностях соединения, электрон – электронные и дырка – дырочныевзаимодействия, рассеяние на акустических и полярных оптических фононах.Рассеяние на неполярных оптических фононах вносит значительный вклад в р-типе иполуметаллических материалах n-типа. Несмотря на то, что результаты расчета значенийподвижности электронов в основном хорошо согласуются с экспериментом, все ещенет общего теоретического понимания подвижности дырки в HgCdTe.
Электронная подвижность в Hg1-xCdxTe (в см2/(В •с)) в диапазоне составов 0.2 х 0.6 и при температурах Т> 50 К может быть аппроксимирована как
/>е =/>с
Где г=(0.2/х)0,6, s = (0.2/x)7.5.
Используют следующую эмпирическую формулу подвижности/>е дляслаболегированного материала n-типа:
/>е=9х104(me; T)-3/2. (13)
Эта формула может быть связана с формулой подвижностидля рассеяния на ионизированной примеси при приблизительной оценке зависимостей/>есизменением состава х и уровня легирования полупроводника при температуре>77 К. Предлагают эмпирическую формулу (действующую в диапазонесоставов 0.18 е сизменением х при 300 К для самых высококачественных материалов:
/>е=104(8.754х-1.044)-1см2/(В•с).(14)
Значения подвижности дырок при комнатнойтемпературе изменяются в диапазоне от 40 до 80 см2/(В • с),температурные зависимости относительно слабы. Дырочная подвижность притемпературе 77 К на порядок выше, чем при комнатной температуре. При моделированиифотоприемников ИК-излучения обычно полагают, что дырочная подвижностьвычисляется при предположении, что отношение подвижностей электрона и дырки b= me/mhпостоянна и равна 100.Оптические свойства
Оптические свойства HgCdTe исследованы, главнымобразом, при значениях энергии порядка ширины запрещенной зоны. Коэффициентпоглощения при оптической генерации носителей может быть рассчитан в рамкахмодели Кейна, включая сдвиг Мосса–Бурштейна. Легирование полупроводникапримесью р-типа увеличивает поглощение благодаря снижению заполнения зоны.
До сих пор появляются значительные несоответствиямежду известными данными относительно значений коэффициента поглощения. Этовызвано различными концентрациями собственных дефектов и примесей,неравномерным составом и легированием, неоднородностью толщины образцов,механическими деформациями и различными способами обработки поверхности. Ввысококачественных образцах измеренное поглощение в коротковолновой областиспектра находится в хорошем согласии с рассчитанным по модели Кейна, в то времякак на длинноволновой границе появляется экспоненциальный хвост. Наличиехвостов зон увеличивается из-за собственных точечных дефектов, примесей идругих нарушений в кристалле:
/>см-1, (15)
где Е выражено в электрон-вольтах, Т – вКельвинах, Т0= 81.9,
Е0= -0.3424 + 1.838x + 0.148x2, />=3.267 х 104(1 +х) и />0= exp (53.61x – 18.88). Наилучшеесогласие с моделью Кейна достигается в области Eg = E(/>= 500 см-1).Точка перехода между областью, описываемой моделью Кейна, и экспоненциальнымхвостом при температуре 300 К находится при />t = 100 + 5000x. Значительноепоглощение HgCdTe ниже границ поглощения может быть связано с внутризонными переходамикак в зоне проводимости, так и в валентной зоне, а также с переходами междуподзонами валентной зоны.
Измерение поглощения является, возможно, наиболееобщим стандартным методом для определения состава и его распределения вобъемных кристаллах и эпитаксиальных слоях. Как правило, для толстых (>0.1 мм) образцов используется уровень поглощения 0.5 или 1% для верхней граничной длины волны, дляболее тонких образцов – различные методы.
Состав эпитаксиальных слоев обычно определяетсяиз значения длины волны, соответствующей половине максимального пропускания0.5Тmах. Определение состава может быть затруднено наличием градиентасостава по толщине. Измерения коэффициента отражения в ультрафиолетовом ивидимом спектрах также используются для определения состава, особенно дляхарактеризации поверхностной области при глубине проникновения 10–30 нм.
Местонахождение ширины запрещенной зоны Egобычно измеряется по положениюмаксимума коэффициента отражения, а состав рассчитывается из экспериментальноговыражения
E1= 2.087 + 0.7109x + 0.1421x 2+ 0.3623x3. (16)
Сильно влияют на свойства КРТ легирующие примесиЛегирующие примеси 1.5 Выращиваниеобъемных кристаллов КРТ и получение тонких эпитаксиальных слоев КРТ
Для производства ИК-фотодетекторов с высокимихарактеристиками необходим высококачественный полупроводниковый материал.Основными требованиями, предъявляемыми к материалу, являются: низкаяконцентрация дефектов, большой размер пластин, однородность и воспроизводимостьсобственных и примесных свойств материала. Постоянно прогрессируя, производствоHgCdTe развивалось от методавыращивания объемных кристаллов из расплава при высокой температуре к методамнизкотемпературной жидкофазной эпитаксии и эпитаксии из паровой фазы. Однакостоимость и доступность высококачественного HgCdTe большой площади все ещеявляются сдерживающими факторами при производстве фотоприемников.
Для успешного производства HgCdTe необходимофундаментальное понимание термодинамики и химии твердого тела.
Обобщенная модель раствора оказалась успешной дляобъяснения экспериментальных данных и предсказывает диаграмму состояния полной Hg-Cd-Te системы. Предполагалось,что жидкая фаза – это смесь Hg, Те, Cd, HgTe и CdTe. Газовая фаза материала содержит атомы Hg, Cd и молекулы Те2.Состав твердотельного материала может быть описан обобщенной формулой
(Hg1-xCdx)1-yTey. Обычная формула Hg1-xCdxTe соответствуетпсевдобинарному соединению CdTe и HgTe (у=0.5) с полной взаимной растворимостью.Предполагается, что псевдобинарная фазовая область со структурой цинковойобманки в Hg1-xCdxTe расширена в областьобогащенного Те материала с шириной порядка 1%. Ширина уменьшается при понижениитемпературы. Следствием подобной формы диаграммы является наличие включенийтеллура. Излишек теллура из-за вакансий в металлической подрешетке приводит ктому, что чистый материал обладает проводимостью р-типа. Отжиг при низкойтемпературе (200–300 К) уменьшает концентрацию собственных дефектов(преимущественно акцепторов) и образует неконтролируемый (преимущественнодонорный) примесный фон.
Большинствопроблем в процессе выращивания кристаллов обусловлены разностью между кривымисолидуса и ликвидуса, приводящей к сегрегации бинарных соединений во времякристаллизации из расплава.Поверхностная сегрегация – этоявление изменения состава, структуры и свойств поверхностных слоев атомоввещества в конденсированном состоянии, то есть в твердом или жидком состояниях.Причина поверхностной сегрегации – резкое изменение атомной структуры(уменьшение числа соседних атомов) в поверхности по сравнению с объемом. Вместес тем у поверхностных атомов остается стремление к достижению минимумасвободной энергии. Поэтому явление поверхностной сегрегации охватывает и ряддругих явлений: поверхностные реконструкции, релаксации, поверхностные фазы.Коэффициент сегрегации для процесса выращивания из расплава зависит от давленияртути. Серьезные проблемы возникают также при высоких давлениях ртути над псевдобинарнымрасплавом. Слабая Hg-Te связь приводит к низкой энергии активации дефектообразования имиграции атомов Hg в матрице. Это может вызывать объемную и поверхностнуюнестабильность. Однако указанные трудности были систематически преодолены втечение последних трех десятилетий.Объемные кристаллы
В настоящее время наиболее часто для изготовлениявысококачественных материалов используется выращивание объемных кристаллов изжидкой фазы. Этот метод применялся главным образом для изготовленияодноэлементных фоторезисторов n-типа, матриц и SPRITE-детекторов для первого поколения системтепловидения и обнаружения. Фотоприемник SPRITE (Signal Processing In TheElement). Иногда его называют по имени изобретателя – TED (Tom ElliotDetector). В ФПУ (Фотоприемное устройство) SPRITE задержка и суммированиепринимаемых сигналов происходит внутри самого чувствительного элемента. Этоисключает необходимость в электронных схемах, обычно применяемых в линейныхсистемах ФПУ. Это упрощает процесс обработки сигналов. По сравнению страдиционными ФПУ SPRITE-детектор имеет малое количество проводников на входе ивыходе. Это упрощает систему охлаждения. Кроме того, SPRITE-детекторхарактеризуется упрощенной схемой задержки и суммирования сигналов. ОднакоSPRITE-детектор требует специфического блока развертки изображения. В немиспользуется сканирующая зеркальная призма, грани которой выполнены подопределенным углом к оси ее вращения. Из объемного материала создаются высоконадежныедетекторы для космоса, а также для коммерческих систем типа ИК-спектрометров.Хорошая однородность, отличные электрические свойства (концентрация носителей
При выращивании объемных кристаллов для массовогопроизводства материала используется ряд методов. Выращивание включает в себятакже возможность зонной очистки и перегонку первоначальных ингредиентов. Какследует из диаграммы состояния, во время кристаллизации из расплава имеет местосильная сегрегация, которая снижается при быстром охлаждении. Поэтому традиционнымиметодами выращивания из расплава типа стандартного метода Бриджменапроизводятся кристаллы с большими продольными и осевыми отклонениями состава,которые являются препятствием для получения качественных материалов. Улучшенныйпроцесс выращивания Бриджмена–Стокбаргера и метод ускоренного вращения тигля (ACRT) все еще используютсядля обеспечения достаточного объема производства матричных детекторов.
МетодБриджмена-Стокбаргера
Этот методуже старый, практически не применяемый. Заключается в том, что через печь,имеющую неравномерное распределение температуры по длине, протягивается ампулас материалом (возможна неподвижная ампула и движущаяся печь). Ампула имеетзаостренный конец для исключения образования большого числа зародышей.
Другой вариант реализации конструкции –ампула с «перетяжкой», через которую прорастает только зародыш одногокристаллографического направления. Метод прост и экономичен (рис. 5.).
/>
Рис.5Выращивание по методу Бриджмена-Стокбаргера: а – ампула с заостренным концом; б– аппаратурная реализация метода; в-распределение температуры по длине печи.
Еще однимметодом выращивания однородных и высококачественных кристаллов является метод «закалки-отжига»(также называемый модифицированным методом Бриджмена и методом твердотельнойрекристаллизации (ТТР)). При выращивании данным методом слиток заданногосостава синтезируется, расплавляется и закаляется. Затем полученнаямелкозернистая дендритовая масса отжигается при температуре ниже температурыликвидуса в течение нескольких недель, для того чтобы кристаллрекристаллизовался и гомогенизировался. Предложены различные пути улучшенияпроцесса, включая отжиг при температурном градиенте и медленное остывание дляпредотвращения преципитации теллура. Для регулировки концентрации собственныхдефектов материалу обычно требуется низкотемпературный отжиг. Кристаллы могутбыть также однородно легированы введением легирующих примесей в слиток.
Метод «закалки-отжига» имеет некоторыенедостатки. Поскольку сегрегации не происходит, все примеси, имеющиеся вслитке, замораживаются в кристалле, поэтому требуются высокочистые исходныеэлементы. Максимальный диаметр слитков ограничен приблизительно 1.5 см, так как для подавления сегрегации в слитках большого диаметра необходима слишком низкаяскорость охлаждения. Кристаллы содержат дефекты типа малых угловых границ.
Относительно однородные и совершенные кристаллымогут быть выращены в таких системах, в которых обеднение расплава вширокозонном бинарном материале компенсируется постоянным пополнением изтвердотельных «слаш» (slush) частиц, взвешенных в верхней части расплава.
Большие и однородные кристаллы диаметром до ~5см можно вырастить, используя зонную плавку. Температуру роста можносущественно снизить, используя рост кристаллов из обогащенных (Те) расплавов.Одна из успешных реализаций этого метода – метод движущегося нагревателя,который объединяет преимущества роста из растворов при низкой температуре сростом при равновесных условиях, как в методе зонной плавки. Выращивание этимметодом кристаллов отличного качества происходит с низкой скоростью роста.Эпитаксиальные слои
Объемный материал на основе HgCdTe в значительной степенинепригоден для более высокотехнологичных применений из-за дефектов материала,включая малоугловые границы зерен и области высокой концентрации дислокаций.Эпитаксиальные методы выращивания HgCdTe, по сравнению с объемными методами, даютвозможность выращивать эпитаксиальные слои большой площади (=30 см2)и сложные многослойные структуры с крутыми и сложными профилями состава ипрофилями легирования полупроводника, необходимые для достижения высоких рабочиххарактеристик фотодетекторов. Рост происходит при низких температурах, чтопозволяет уменьшить плотность собственных дефектов. Благодаря низкому давлениюртути не требуется толстостенных ампул, а рост может быть проведен встандартных системах промышленного типа. Выращенные таким образомэпитаксиальные слои могут быть отожжены при низкой температуре. Эпитаксиальныеслои можно использовать для фоторезисторов без ненадежного и отнимающего многовремени процесса уменьшения толщины.
Всеэпитаксиальные методы связаны с общей проблемой – потребностью в дешевыхподложках большой площади, которые структурно, химически, оптически имеханически согласованы с полупроводниками на основе Hg. До настоящего временине найдено подложки, которая бы удовлетворяла одновременно всем требованиям. CdTe и тройные соединения сблизко согласованными решетками из семейства Cd-Zn-Te, Cd-Te-Se и Cd-Mn-Te наиболее частоиспользуются в качестве подложек. Они применяются при выращиванииэпитаксиальных слоев с параметрами, соответствующими качеству объемных кристаллов.Подложки обычно выращиваются модифицированным вертикальным и горизонтальнымметодом Бриджмена без затравки.
Методгоризонтальной направленной кристаллизации Бриджмена (рис. 6.).
В этом методеиспользуется заранее выращенная монокристаллическая затравка. Процесспроисходит в атмосфере водорода или инертного газа.
Структурноесовершенство кристаллов, получаемых этим методом, выше, чем в вертикальномварианте – открытая поверхность уменьшает механические напряжения. Перемещаетсялибо печь относительно реактора (как на рис. 6.), либо ампула в реакторе. Назаводе «Сапфир» этим методом сейчас выращивают, например, сапфир для подложек.
/>
Рис. 6. а) Направленнаякристаллизация по методу Бриджмена: 1 – монокристаллическая затравка; 2 – печь;3 – лодочка; 4 – реактор;
б) График изменениятемпературы по длине слитка.
Обычно используются ориентации (111) и (100).Ограниченный размер, проблемы чистоты, преципитация теллура, концентрация дислокаций,разброс постоянных решеток и высокая цена – проблемы, требующие своего решения.Предполагается, что такие подложки будут востребованы в течение длительноговремени, особенно для детекторов с самыми высокими рабочими характеристиками. Вслучае выращивания эпитаксиальных слоев HgCdTe на подложках CdZnTe размер матриц фокальнойплоскости ограничен 8x8 мм.
Перспективный подход для получения дешевыхподложек – применение гибридных подложек, которые представляют собоймногослойные структуры, состоящие из пластин объемного кристалла, закрытыхбуферными слоями с согласованной решеткой. Объемные полупроводниковые материалыSi, GaAs, InSb, InP и сапфир являютсявысококачественными, дешевыми и легкодоступными кристаллами, которые в этомслучае можно использовать. В качестве буферных слоев наносится пленка CdZnTe толщиной несколькомикрон, полученная неравновесным методом выращивания, обычно осаждением изпаровой Фазы. Эта технология относится к так называемой РАСЕ (for Producible Alternative to CdTe for Epitaxy), т.е. эпитаксиальнаятехнология на подложках, альтернативных CdTe. Поглощение сапфиром вИК-области ограничивает использование РАСЕ-1 (CdTe/сапфир) для матрицфокальной плоскости до длин волн
В настоящее время наиболее интенсивные исследования проводятся поразработке молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).
/>
Рис.8 Схема установки для выращивания гетероэпитаксиальныхструктур КРТ методом МЛЭ. 1-ламинарный бокс 2-подложка с носителем 3-модульзагрузки подложек 4-модуль подготовки поверхности подложек 5-модуль выращиваниябуферных слоев 6-накопительная камера 7-модуль выращивания слоев КРТ 8-встроенныйавтоматический эллипсометр 9-модуль выгрузки эпитаксиальных структур
Методмолекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Является развитием метода вакуумногонапыления. Отличается тем, что в рабочем объеме создаются независимыемолекулярные потоки основного и легирующего компонентов. Метод в последнеевремя получил широкое развитие благодаря получению тонких и сверхтонких слоевп/п, в том числе сложного состава с контролируемой структурой и составом.Вакуум – 10-8¸10-10 Па. Независимое регулирование Т1,Т2 и Т3 позволяет регулировать интенсивность испарениякомпонентов и т.о. управлять составом молекулярных потоков. Температура подложкиопределяет величину коэффициента конденсации (прилипания) атомов каждого компонентак подложке.
Наличиеглубокого вакуума в установке позволяет оперативно контролировать условияосаждения и качество получаемых слоев непосредственно в процессе их осаждения.Современные установки представляют собой сложные системы с масс-спектрометрамидля анализа газовой среды, Оже-спектрометрами для анализа состава получаемыхслоев, а также для исследований используют спектроскопию вторичных ионов,дифракцию медленных и быстрых электронов.
/>
Рис.9. Схемамолекулярно-лучевой установки: 1 – ячейка Кнудсена; 2 – механическая заслонка;3 – азотный экран; 4 – водоохлаждаемый экран; 5 – подвижная цилиндрическаязаслонка; 6 – пушка дифрактометра быстрых электронов; 7 – Оже-спектрометр сцилиндрическим энергоанализатором; 8 – ионная пушка; 9 – энергетический фильтр;10 – квадрупольный масс-спектрометр; 11 – дифрактометр медленных электронов; 12– поворотный карусельный держатель; 13 – флуоресцентный экран дифрактометрабыстрых электронов; 14 – встроенный сублимационный титановый насос; 15 – корпусмодуля испарительных ячеек.
/>
Рис. 10. Схема реактора для МЛЭ кремния (прямое наращиваниекремния на подложке): 1-экран; 2-основа с водяным охлаждением; 3-нить накалаисточника; 4-электронный пучок; 5-электростатический экран (-V); 6-твердый кремний; 7-расплавленныйкремний; 8-пары кремния; 9-держатель подложки; 10-кремниевая подложка; 11-нитьподогрева подложки; 12-электронный пучок.
Сущностьпроцесса состоит в испарении п/п вещества и одной или нескольких легирующихпримесей. Низкое давление паров п/п и легирующих примесей гарантирует ихконденсацию на относительно холодной подложке.
Обычно МЛЭ проводят в сверхвысоком вакууме при давлении 10-6 – 10-8Па. Температурный диапазон составляет 400 – 800 ºС. Технически возможноприменение и более высоких температур, но это приводит к увеличениюавтолегирования и диффузии примеси из подложки.
Этот метод предоставляет уникальные возможностипри создании материала и разработке приемников, в том числе самую низкуютемпературу роста, выращивание сверхрешеток и возможность получения наиболеесложных профилей легирования и состава полупроводника. Большие успехидостигнуты в устранении дефектов, контроле роста и легирования полупроводника,а также в создании ИК электрооптических приборов. Быстрое улучшение качестваприемников с прецизионно управляемой архитектурой убедило исследователей впревосходстве молекулярно-лучевой эпитаксии над жидкофазной эпитаксией.Основной недостаток МЛЭ – высокая стоимость оборудования и обслуживания.
Если температура роста для МЛЭ ниже 200 °С, тодля метода ГФЭ на металлорганических соединениях она составляет -350 °С, чтозатрудняет управление легированием полупроводника р-типа проводимости впроцессе выращивания из-за формирования вакансий ртути при более высокихтемпературах роста. As является наиболее предпочтительной легирующей примесью для пленокр-типа, в то время как индий более предпочтителен для получения слоев n-типа. Основные проблемыэтих двух методов: образование двойников, требование очень хорошей подготовкиповерхности, предшествующей росту, неуправляемое легирование полупроводника,высокие значения концентрации дислокаций и наличие неоднородностей состава.Имеет место постоянное повышение качества пленок, выращиваемых методомнеравновесной эпитаксии.
Для уменьшения нежелательных эффектов из-заразности на 19.3% в постоянных кристаллической решетки вводятся буферные слоимежду HgCdTe и Si. Ранее нанесение буферных слоев CdZnTe на подложках на основе Si было связано сподложками GaAs/Si. Использование тройных буферных слоев CdZnTe позволило достигнутьулучшения морфологии поверхности HgCdTe. К сожалению, межфазный слой GaAs повышает стоимостьпервоначальной подложки и представляет опасность примесного загрязнения прииспользовании детектора. В настоящее время для жидкофазных структур на основе HgCdTe (001) используются подложкиCdZnTe/ZnTe/Si (001), выращенные методомМЛЭ. В то же время, как и для слоев на основе HgCdTe, выращенных методом МЛЭ,больше внимания уделяется подложкам Si (112) В. Ориентация (112) В предпочтительнаиз-за ее устойчивости к образованию двойников, a также совместимости схимическим легированием р-типа As. Продемонстрированы изготовленные технологиейРАСЕ-3 большие (640 х 480) матрицы фокальной плоскости, структурно выполненныев четырех квадрантах с прямой инжекцией и непосредственным считыванием вканале, высокоскоростные, с архитектурой переключателей на основе полевыхтранзисторов. Ранее МФП того же формата были созданы с помощью технологииэпитаксии из газовой фазы с использованием металлорганических соединений(МОСГФЭ) для получения альтернативных подложек CdZnTe/GaAs/Si и последующего выращиванияр-п двухслойных гетеропереходов (ДСГП) на основе HgCdTe методом жидкофазнойэпитаксии из Hg-расплава с контролируемым легированием.
Среди эпитаксиальных методов жидкофазнаяэпитаксия является наиболее развитым методом выращивания качественных однородныхпленок и многослойных структур. Как следует из диаграмм состояния, выращиваниеметодом жидкофазной эпитаксии происходит из псевдобинарных HgTe-обогащенных, Те- и Hg-обогащенных растворов.Первый подход в настоящее время не имеет никакого практического значения, главнымобразом, потому что требуются высокая температура порядка 700 °С и высокое(>10 атм.) давление ртути. Рост из Те-обогащенного раствора (420–500 °С),как и рост из Hg-обогащенного раствора (400–500 °С), с равным успехомиспользовался в различных конфигурациях. Рост из Те-раствора происходит присамом низком давлении ртути (=0.1 атм.). Основной трудностью являютсяокончательное удаление Те-обогащенного расплава с выращенных слоев и адаптациятехнологии для промышленных потребностей. Подобных проблем не возникает привыращивании из Hg-обогащенных растворов. Еще одним важным преимуществом этогоподхода является легкость, с которой нужные примеси могут быть внедрены в Hg-обогащенные растворы. Вотличие от метода выращивания из Те-обогащенных растворов, состав растущихслоев может быть радикально изменен в результате обеднения расплава Cd из-за низкойрастворимости CdTe в Hg-обогащенных растворах. Этот недостаток был преодолен при помощитак называемого метода выращивания «неограниченный расплав». Термин «неограниченныйрасплав» предполагает использование расплава очень большого объема (>2 кг), в котором сохраняются постоянными температура и состав в течение всего процесса плавления.Совершенные нелегированные и преднамеренно легированные жидкофазные слоивыращивались на подложках CdTe, CdZnTe, CdTeSe и гибридных подложках. Была продемонстрированавысокая однородность состава для х = 0.223 ± 0.001 по площади в пределахот 43 до 54 см2. При управлении воспроизводимостью состава х = 0.226± 0.0033 при многократном выращивании (~200) достигаетсяпроизводительность >8000 см2. Постоянными проблемами привыращивании методом ЖФЭ являются частые случаи террасной поверхностнойморфологии, резкость границы раздела и относительно высокая плотность дефектовнесоответствия и линейных дислокаций.
Выращивание из газовой фазы с использованием металлорганических соединений(МОСГФЭ) – неравновесный метод, который представляется наиболее перспективнымдля будущего крупномасштабного и дешевого производства эпитаксиальных слоев.Главные преимущества его – невысокая температура роста и возможность измененияусловий роста в процессе выращивания для получения заданной ширины запрещеннойзоны и профилей легирования полупроводника. Невысокая температура осажденияпозволяет использовать гораздо большее число видов подложек по сравнению сжидкофазной эпитаксией. МОСГФЭ наиболее часто используется для производствагибридных подложек для Hg1-xCdxTe. Особенность методасостоит в том, что в эпитаксиальном реакторе создается высокотемпературнаязона, в которую поступает газовая смесь, содержащая разлагаемое соединение. Вэтой зоне протекает реакция и происходит выделение и осаждение вещества наподложке, а газообразные продукты реакции уносятся потоком газа-носителя.
1.6 Приборына основе КРТ Краткая справка.
В 1959 г. началось развитие исследований твердыхрастворов Hg1-xCdxTe (HgCdTe) с переменной ширинойзапрещенной зоны, предоставляющих широкие возможности для созданияИК-детекторов. Технологии выращивания HgCdTe развивались и продолжают развиваться, преждевсего, для военных применений. Требование секретности значительно замедлялосотрудничество среди исследовательских групп на национальном и особенно намеждународном уровне. Основное внимание привлекало создание матрицы фокальнойплоскости (МФП), и намного меньше внимания уделялось исследованиям. Однакоболее чем за три десятилетия произошел значительный прогресс. В настоящее времяHgCdTe является наиболее широкоиспользуемым полупроводником с переменной шириной запрещенной зоны для созданияИК-фотодетекторов.
Сначала рассмотрим принцип действия ИК-детекторовв общем.ИК-детекторы.
В детекторах классафотоприёмников излучение поглощается внутри материала в результатевзаимодействия с электронами, связанными с атомами решётки или с примеснымиатомами, а также со свободными электронами. Наблюдаемый выходной сигналобусловлен изменением энергетического распределения электронов. Фотонныедетекторы (фотоприёмники) обладают селективной спектральной зависимостьюфотоотклика при одинаковой мощности падающего излучения, обеспечивают хорошиепороговые характеристики и высокое быстродействие. Но для достижения этоготребуется охлаждение фотоприёмников до криогенных температур. Фотоприёмники,длинноволновая граница которых 3 мкм, обычно охлаждены. Охлаждение необходимодля уменьшения тепловой генерации носителей заряда. Тепловые переходыконкурируют с оптическими, что приводит к большому шуму в неохлаждённыхприборах.
Таблица2. Типы полупроводниковых фотоприёмниковТип Переходы Тип электрического выходного сигнала Примеры Собственные Межзонные Фотопроводящий PbS, PbSe, InSb, CdHgTe Фотовольтаический InSb, InAs, PbTe, CdHgTe, PbSnTe Емкость InSb, CdHgTe ФЭМ InSb, CdHgTe Примесные Примесь-зона Фотопроводящий Si: In, Si: Ga, Ge: Cu, Ge: Hg На свободных носителях Внутризонные Фотопроводящий InSb электронный болометр
В зависимостиот природы взаимодействия класс фотоприемников подразделяется на различныетипы. Наиболее важные из них:
– собственныедетекторы;
– примесныедетекторы.
Второй классдетекторов ИК-излучения – тепловые детекторы. В тепловом детекторе падающееизлучение при поглощении изменяет температуру материала и результирующееизменение некоторых физических свойств используется для генерацииэлектрического выходного сигнала.
Сигнал независит от фотонной природы падающего излучения. Так как тепловые эффектыобычно не зависят от длины волны, выходной сигнал зависит от мощности излучения(или скорости её изменения), а не от его спектрального состава. При этомпредполагается, что механизм, ответственный за поглощение излучения, сам посебе не зависит от длины волны, что, строго говоря, неверно в большинстведругих случаев. В пироэлектрических детекторах измеряется изменение внутреннейэлектрической поляризации, в то время, как в случае термисторных болометров –изменение электрического сопротивления. В отличие от фотоприёмников, тепловыедетекторы обычно действуют при комнатной температуре. Они, как правило,характеризуются невысокой чувствительностью и большой инерционностью (потомучто нагрев и охлаждение элемента детектора происходит довольно медленно), нодешевле и удобнее. Из-за своей дешевизны они широко используются там, где нетребуются высокая эффективность и быстродействие. Будучи неселективнымиприборами, они часто применяются в ИК-спектрометрах.
Неохлаждаемые,монолитные матричные приёмники фокальной плоскости (МФП) на основе тепловыхдетекторов могут коренным образом изменить направление разработокформирователей теплового изображения.
Теперь рассмотрим более подробно приборы наоснове КРТПриемники на основе КРТ.
На рис. 11 представлена типичная структура HgCdTe фоторезистора. Основнойчастью такой структуры является слой HgCdTe толщиной 3–20 мкм с контактами. Оптимальнаятолщина активной области (несколько микрометров) зависит от рабочей температурыи имеет меньшее значение в неохлаждаемых устройствах. Толщина обычно выбираетсяпорядка a-1, где а – коэффициент оптического поглощения. Если толщина меньше,чем диффузионная длина неосновных носителей заряда, рекомбинация носителейзаряда на поверхности может преобладать в процессе рекомбинации для некорректноизготовленного детектора. Чтобы получить времена жизни, ограниченные объемнымипроцессами, необходимо уменьшить скорость поверхностной рекомбинации приблизительнодо 500 см/с. Это может быть достигнуто обработкой поверхности таким способом,чтобы предотвратить отток носителей на поверхность путем слабого ее обогащения.В результате изгиба зон появляется электрическое поле, которое уменьшает потокнеосновных носителей к поверхностным рекомбинационным центрам. Для полученияобогащенной поверхности с низкой скоростью рекомбинации часто используетсясобственный оксид на верхней поверхности, полученный анодным окислением.Верхняя поверхность обычно покрывается пассивирующим слоем и антиотражающимпокрытием. Поверхность с обратной стороны приемника также пассивируется.Напротив, поверхность тыльной стороны эпитаксиального слоя, выращенного на CdZnTe подложке, не требуетникакой пассивации. Детекторы соединяются с теплопроводящими подложками.
Дляувеличения поглощения излучения детекторы иногда снабжаются тыльным золотымотражателем, изолированным от фоторезистора слоем ZnS или подложкой. Толщинаполупроводника и двух диэлектрических слоев выбирается таким образом, чтобыполучился оптический резонатор со стоячими волнами в структуре с максимумами напередней поверхности и узлами – на обратной.
/>
Рис. 11Поперечное сечение типичного HgCdTe фоторезистора Фоторезисторына объёмных монокристаллах КРТ.
Для большинствафоторезисторов на основе HgCdTe используется объемный материал, выращенныйметодом Бриджмена или методом твердотельной рекристаллизации, хотя сейчасприменяется материал, изготовленный методами газо- и жидкофазной эпитаксии:ЖФЭ, МОСГФЭ и МЛЭ
В течениепоследующих с начала развития лет технология изготовления ОМ КРТ перетерпеларяд важных изменений. Была разработана и освоена технология выращивания МК издвухфазной смеси и внедрено легирование монокристалла индием. Первоемероприятие обеспечивало более высокую однородность состава и свойств МК попластине, увеличивало выход годных. Легирование индием решило проблемустабильности ОМ КРТ, повысило однородность электрофизических ифотоэлектрических свойств, а также повысило выход годных. Изменения технологииполучения ОМ КРТ неизбежно приводили к изменениям технологии изготовленияфотоприемников. Главным направлением в разработке фотоприемников для тепловидениябыло создание фоторезисторов из ОМ КРТ на диапазон 8 – 14 мкм. До сегодняшнегодня фоторезисторы из КРТ являются основными сенсорами в различных видахтепловизионной техники.
Фоторезисториз КРТ способен использовать большую часть излучения в атмосферном окне (8 – 14мкм), так как максимум спектральной чувствительности может приобретать в зависимостиот состава КРТ любые значения в окне 8 – 14 мкм практически без ухудшенияобнаружительной способности.
Фоторезисторыиз ОМ КРТ, используемые в настоящее время, достигли параметров, близких ктеоретическому пределу (ограничение фоном). При серийном производствефотоприёмников и фотоприемных устройств возникают определённые трудности вреализации предельных параметров.Особенностифоторезисторов на объёмных кристаллах КРТ.Сопротивление фоторезистора.
Высокаяподвижность носителей в n-типе КРТ, μ≥105 см2/В*с идостаточно высокая собственная концентрация ni (ni77K = 3*1013 см-3)для Eg = 0,1 эВ, по сравнению с полупроводниками с большей ширинойзапрещённой зоны,
ni= (2πkT/h2)*(me*mp)¾*e-ΔE/kT,
где T– температураполупроводника;
h– постоянная Планка;
me– эффективная массаэлектрона;
mp – эффективная массадырки;
ΔE – ширина запрещённойзоны;
k– постоянная Больцмана,
и определяютвысокую электропроводность ОМ КРТ
σ =μ*n*e.
Ограниченияна уменьшение толщины рабочего слоя фоточувствительного элемента (ФЧЭ),накладываемые технологией утоньшения при химико-механическом полировании приклеенныхк технологической подложке пластин, затрудняют получение достаточно высокихсопротивлений ФЧЭ путём уменьшения толщины слоя. Фоторезисторы из КРТнизкоомные. Величина сопротивления обычно 50 -70 ОМ в образцах с квадратнойплощадкой ФЧЭ. Стабилизирующий анодный окисел на нижней, приклеенной кподложке, поверхности ФЧЭ создаёт фиксированный заряд в приповерхностном слое,что снижает сопротивление до 25 – 35 Ом. При этом толщина рабочего слоя КРТсоставляет 13 – 15 мкм. Низкое сопротивление фоторезистора создаёт определённыетрудности, в его сопряжении с электроникой первичной обработки сигналовизображения. Низкое сопротивление фоторезистора приводит также к необходимостиобеспечить значительные, по масштабам ФЧЭ, токи смещения, необходимые дляполучения максимального сигнала.Шумы фоторезистора.
Фоторезисторыиз ОМ КРТ имеют очень низкие шумы. Это связано как с достаточно большойвеличиной собственной концентрации, так и с относительно малым временем жизниносителей.
Генерационно-рекомбинационныйшум при тепловом ограничении (см. выше)
UG-R= 2*Uсм*[pτΔf/n*(n+p) V]1/2
Uсм – напряжение смещения,
τ – время жизни неосновныхносителей заряда,
nи p– темновые концентрацииэлектронов и дырок,
V – объём ФЧЭ,
Δf– информационная полосачастот.
Приограничении фоном, когда концентрация дырок в n-типе, генерируемыхфоновым излучением становится сопоставимой с n0, может измениться времяжизни τ. Это скажется на изменении генерационно-рекомбинационного шума.Насыщение вольтовой чувствительности при увеличении напряжения смещения такжесвязано с уменьшением времени жизни неравновесных носителей под влиянием фона иприводит также к зависимости генерационно-рекомбинационного шума от фона. Тоесть, «пролёт» носителей и фон влияют на генерационно-рекомбинационный шумчерез τ.
UG-R= (eμnR/μd)*[ηФВlbΔf]½
где ФВ– фоновый поток,
l – длина фоточувствительнойплощадки,
b – ширинафоточувствительной площадки,
μd – дрейфовая подвижность.
То есть,имеет место насыщение генерационно-рекомбинационного шума, при млых фонахконцентрация дырок определяется тепловой генерацией, насыщениегенерационно-рекоминационного шума не наступает и в режиме пролета.
UG-R= (2ni/n) [UeμnRΔf/ μd]½
где U – напряжение смещения, вэтом случае UG-R изменяется как Uсм½.
В реальныхвысококачественных кристаллах, в которых время жизни неосновных носителейопределяется Оже-рекомбинацией и лежит в пределах 10-6 – 20*12-6с, а концентрация электронов в «n» – типе находится в пределах (2 – 5)*1014 см-3,спектральная плотность шума составляет UG-R = 2,5*10-9 –3,5*10-9 В*Гц-1/2. Для реализации обнаружительнойспособности фоторезистора
D* = SU√A/Uш
где SU – вольтоваячувствительность фоторезистора,
А – площадьФЧЭ.
Uш=√(Uшn2+ Uшy2)
Необходимосущественно снижать шумы предусилителей Uш до 1 -1,5 нВ*Гц1/2,что является достаточно сложной задачей, и повышать вольтовую чувствительность.Вольтовая чувствительность.
Дляфоторезистора, включённого на согласованную нагрузку, вольтоваячувствительность связана с электрофизическими параметрами материала КРТ,геометрией ФЧП, длиной волны и напряжением смещения:
SU= ηUсмτэф/hνnAd
Где η –внешняя квантовая эффективность,
Uсм – напряжение смещения,
τэф– эффективное время жизни неравновесных носителей заряда при рабочейтемпературе,
hν – энергия кванта вмаксимуме спектральной чувствительности,
n – концентрация носителейпри рабочей температуре (77 К),
А – площадкаФЧП,
d – толщина ФЧП.
Из формулывидно, что в пределах заданного требованиями аппаратуры быстродействия,необходимо выбирать материал КРТ с максимальным временем жизни носителей,τ. А так же необходимо увеличивать до предельных значений напряжениесмещения и уменьшать толщину ФЧЭ. По всем выше названным параметрам существуютограничения. Минимальная концентрация носителей не может быть меньшесобственной, которую в материале КРТ, получить очень сложно из-за наличиядефектов с малой энергией активации. Увеличение напряжения смещения ограниченоявлением «пролёта» носителей, когда избыточные носители, возбуждённыеизлучением на одном конце ФЧП, успевают, под действием электрического полясмещения, добежать до противоположного контакта за время дрейфа сравнимое свременем жизни.
τпр= l2/μдрUсм
где l – расстояние междуконтактами,
μдр – дрейфовая подвижность,определяется медленными носителями заряда (для КРТ х = 0,2 µдр ≈µp),
Uсм – напряжение смещения.
Увеличение напряжениесмещения фоторезистора в соответствии с формулой нахождения SU приводит к увеличениювольтовой чувствительности до тех пор, пока уменьшающееся при этом времяпролёта не ограничит SU. Такой режим, когда повышение напряжениесмещения не вызывает дальнейшего увеличения сигнала фотоответа называется режимомнасыщения вольтовой чувствительности. В этом случае упрощается выражениядля нахождения SU. Для КРТ x = 0,215: μn ≥ 105 см2/В*с,μp ≥ 300 см2/В*с. В режиме включения насогласованную нагрузку (RT = RH) вольтоваячувствительность насыщения:
SUn= 1,5 RT103
где RT – темновое сопротивлениефоточувствительной площадки (ФЧП).
Так же дляполучения максимального фотоответа необходимо устранять потери на отражениеизлучения путём нанесения просветляющего диэлектрического покрытия.Обнаружительная способность.
Обнаружительнаяспособность при тепловом ограничении определяется по формуле:
D* = (η/2hν) [(n+p)τ/ntp]½
Где t – толщина слояфоторезистора.
Для механизмаОже рекомбинации, реализующегося в монокристаллах КРТ высокого совершенства
τA= τAi*2ni/[n(n+ p)]
где τAi – время жизни при Ожерекомбинации в собственном материале.
В этомслучае:
D*U= (η/2hν) [2τAi/n0t]½
При скоростиповерхностной рекомбинации приблизительно равной нулю и толщине ФЧЭ t ≥ α-1,коэффициент поглощения α ≈ 103 см-1, принимая n0~ 4*1014 см-3и τ ~ 10-3 с при 77 К, получим D*U = 2,2*1012*η,принимая η ≈ 0,8, получим D*U ≈ 1,76*1012.В реальных резисторах необходимо учитывать скорость поверхностной рекомбинациии ограничения, накладываемые фоновым излучением.
Величинаобнаружительной способности при термическом ограничении получена также безучёта шумов в виде 1/f. Источником этих шумов, называемых избыточными, являютсянесовершенство контактов, неоднородность исходного материала КРТ, поверхностнаярекомбинация.
Технологияизготовления фоторезисторов из объёмных монокрисаллов (ОМ) КРТ в настоящеевремя достигла достаточно высокого уровня, позволяющего получить минимальныешумы вида 1/f,ограниченные по верхней частоте, как правило, 300 – 500 Гц.
Посколькуинформационная полоса частот тепловизионных систем обычно находится в диапазоне20 – 100 кГц, шумы вида 1/f вносят незначительный вклад в общий шум фоторезистора.
Низкаявольтовая чувствительность и обнаружительная способность наблюдается вфоторезисторах, изготовленных из образцов КРТ, в которых имеются большое числоцентров рекомбинации, что говорит о некачественном материале КРТ. Такой жерезультат возможен при неправильной, приводящей к образованию центроврекомбинации, обработке материала КРТ при изготовлении фоторезистора. В этомслучае работает иной, быстрый механизм рекомбинации Шокли-Рида. Такиефоторезисторы обладают низкой вольтовой чувствительностью и обнаружительнойспособностью.
Правильносконструированный, изготовленный из высококачественного материала КРТфоторезистор имеет обнаружительную способность, ограниченную флуктуациямифоновых носителей (фоновое ограничение).Стабильность параметров фоторезистора.
Низкаяэнергия активации некоторых дефектов в ОМ КРТ, связанных с вакансиями ртути имеждоузельной ртутью, приводит к явлениям деградации свойств из-за ухода атомовртути с поверхности образца и диффузии вакансий ртути внутрь образца. Этотпроцесс за большой период времени (год – два) может привести к изменению типапроводимости поверхностного слоя, достигающего при продолжительном хранении приповышенных температурах (600– 700С) 100 мкм и более.
Длительноевремя эта проблема сдерживала развитие фотоприёмников из ОМ КРТ. Ситуацияизменилась после того, как были разработаны технологии легирования ОМ КРТиндием, пассивации поверхности образцов КРТ и нанесение защитных, в том числепросветляющих, покрытий.
Особое местозанимает введение в монокристалл незначительного количества индия (N ~ 1015) впроцессе выращивания монокристалла КРТ. Индий – амфотерная примесь в КРТ иявляется преимущественно донором. Монокристаллы, легированные индием, обладаютне только большей стабильностью свойств при длительном хранении, но такжебольшей однородностью по электрофизическим характеристикам и большимизначениями времени жизни неравновесных носителей заряда в образцах «n» – типа.
Использованиесобственного анодного окисла позволило стабилизировать поверхностьфоторезистора, но при этом увеличилась проводимость образца за счётприповерхностного фиксированного заряда, создаваемого анодным окислом в КРТ.
Особенностьюматериала КРТ является его высокая чувствительность к обработке (шлифованию,полированию, травлению). Исходный, незащищённый образец ОМ КРТ в поверхностномслое ухудшает свои свойства при длительном воздействии повышенных температур(60 – 700С). При изготовлении фоторезистора этот слой нуждается вудалении. Неизбежное утоньшение толстой пластины (1 мм) до толщины рабочего слоя порядка 15 – 17 мкм связано с химико-механической обработкой, котораятакже даёт нарушенный слой, который необходимо удалять финишным травлением. Этотравление приводит к завалам краёв образца, ухудшению плоскости и снижениюкоэффициента использования ОМ КРТ.Видыфоточувствительных элементов на основе ОМ КРТ.Фоточувствительный элемент с запирающими контактами.
Первымспособом, использованном на практике, для увеличения вольтовой чувствительностифоторезисторов на КРТ диапазона 8 – 14 мкм был способ получения запирающихконтактов. Запирающие контакты получались путём обработки подконтактныхобластей ионами аргона, под действием которых в подконтактной области возникалиотрицательно заряженные дефекты. Электрическое поле подконтактной областиуменьшало скорость дрейфа неравновесных носителей, продлевая тем самым, времяжизни носителей, что приводило к увеличению вольтовой чувствительности приувеличении напряжения смещения в образцах (ФЧП размерами 50х50 мкм), в которыхвременем жизни носителей в КРТ в объёме было не менее 1 – 2 мкс. Обработкаподконтактных областей ионами аргона сопровождалось травлением поверхности и еёочищением, что также улучшало качество контактов. Конструкцияфоточувствительного элемента с запирающими контактами схематически изображенана рисунке 12.
/>
Рис. 12Конструкция ФЧЭ с запирающими контактами.
1 – подложкаконтактного растра, 2 – контактная дорожка растра, 3 – клей, 4 – подложка ФЧЭ,5 – клей, 6 – фоточувствительный слой КРТ, 7 – припой, 8 – контакт ФЧЭ, 9 – проводникAu, 10 – защитноепросветляющее покрытие, 11 – подконтактный слой n+.
Фоточувствительный элемент с частично затенённой площадкой.
Дляувеличения вольтовой чувствительности путём снижения влияния «пролёта»носителей в ряде случаев используются более сложная конструкция и технологияизготовления ФЧЭ.
/>
Рис. 13Конструкция ФЧЭ с частично затемнённой площадкой.
1 – подложкаконтактного растра, 2 – клей, 3 – подложка слоя КРТ, 4 – клей, 5 –фоточувствительный слой КРТ, 6 – припой, 7 – проводник Au, 8 – контакт ФЧЭ, 9 – защитноепокрытие, 10 – затеняющая металлическая шторка (In).
В конструкции(рис. 13) «электрический» размер ФЧП (расстояние между контактами) существеннобольше, чем световой. Это достигается путём нанесения непрозрачнойметаллической шторки поверх защитного диэлектрического просветляющего покрытияудлинённой площадки. Таким образом, удлинённая и частично затенённая площадка превращаетсяв квадратную. Время «пролёта» носителей в этом случае увеличивается судлинением площадки, соответственно возрастает вольтовая чувствительность.
В конструкциифоточувствительного элемента величина «b» характеризует световойразмер ФЧП, а величина «L» – электрический (расстояние между контактами, определяющеевремя «пролёта» носителей). Затеняющая металлическая шторка (10) полученанапылением индия через маску.Гетероэпитаксиальныеструктуры КРТ.Строение ГЭС КРТ.
/>
Рис. 14Строение ГЭС КРТ.
1-Подложка измонокристаллического арсенида галлия;
2-Буферныйслой Cd Zn Te;
3-Варизонныйслой CdxHg1-xTe x=1->0,215;
4-Рабочийслой CdxHg1-xTe x=0,215±0,005;
5-Варизонныйслой CdxHg1-xTe x=0,215->0,3–0,35.
Толщины слоёвдолжны находится в пределах:
Буферный слойCdZnTe 2 – 8мкм,
Нижнийваризонный слой 0,5 – 1,5 мкм,
Рабочий слой 5– 7 мкм,
Верхнийваризонный слой 0,1 – 0,5 мкм.
Отклонениетолщины слоёв по образцу не более 10% от среднего значения. Суммарная толщинаГЭС при диаметре 51 мм – 0,4 мм ± 10%, при диаметре 76 мм – 0,5 мм ± 10%.
Важнейшийпараметр, характеризующий совершенство слоёв и их пригодность к разработке ивыпуску фоторезисторов – время жизни неравновесных носителей заряда достигло (2– 2,5)*10-6 с. Такие значения времени жизни наблюдаются ввысококачественных ОМ КРТ.Фоточувствительный элемент на основе гетероэпитаксиальнойструктуры КРТ.
Появлениеновых эпитаксиальных методов получения тонких слоёв КРТ позволило изменитьконструкцию фоточувствительного элемента, упростить технологию изготовленияфоторезисторов из эпитаксиальных структур и существенно улучшитьхарактеристики, в том числе вольтовую чувствительность. Жидкофазная эпитаксия,при которой в процессе выращивания слоя КРТ заданного состава происходитнеоднородный подтрав подложки, а на поверхности эпитаксиального слоя КРТобразуется рельеф, также пригодна для изготовления фоторезисторов радикальномизменении технологии. Подтрав приводит к разнотолщинности слоя КРТ и разбросусопротивления фоточувствительных площадок, что ухудшает однородностьфотоэлектрических характеристик и качества фотоприёмника. Рельеф поверхностипри ЖФЭ вынуждает вводить дополнительную химико-механическую обработкуповерхности, приводящую к ухудшению плоскости слоя КРТ и снижению выходагодных.
Развитиемолекулярно-лучевой эпитаксии позволило получить слои КРТ с зеркальнойповерхностью оптимальной толщины. Сложные гетероэпитаксиальные структуры (ГЭС)материала КРТ, полученные методом молекулярно лучевой эпитаксии позволилисоздать новую конструкцию фоточувствительного элемента фоторезистора.
/>
Рис. 15 ФЧЭна основе ГЭС КРТ.
1 – подложкаконтактного растра, 2 – подслой хрома, 3 – контактная дорожка Au, 4 – клей, 5 – подложка GaAs, 6 – буферный слой CgZnTe, 7 – варизонный слой CdxHg1-xTe, 8 – токоподвод Au, 9 – рабочий слой Cg0,2Hg0,8Te, 10 – припой InAu, 11 – варизонный слой CdxHg1-xTe, 12 – слой CdTe, 13 – слой ZnSe, 14 – слой YtSc, 15 – слой n+.Особенности фоторезистора на основе ГЭС КРТ с варизонными слоями,полученными методом молекулярно-лучевой эпитаксии.
Преимуществаданной конструкции ФЧЭ состоят:
– ввозможности увеличения вольтовой чувствительности в 3 – 4 раза за счётуменьшения толщины рабочего слоя до ≈ 5 мкм вместо 15 – 20 мкм вконструкции ФЧЭ с запирающими контактами и соответствующего увеличениятемнового сопротивления;
– впрактически полном подавлении поверхностной рекомбинации за счёт встроенногоэлектрического поля варизонной структуры:
E= (1/e)*(dEν/dx),
препятствующегодиффузии неравновесных носителей к поверхности ФЧЭ.
Значениеградиента состава варизонных слоёв определяются из соотношения скоростидиффузии носителей заряда к поверхности и скорости дрейфа носителей в электрическомполе смещения, Vдиф.Vдиф. i= Dp/bi (Dp – коэффициент диффузиидырок в варизонных нижнем и верхнем слое, а bi – толщина i-го варизонного слоя), Vдр.= μp(1/e)*(dEν/dx).
Следовательно:
Dp/biμp(1/e)*(dEν/dx),
dEν/dx>> eDp/biμp.
Dp ≈ 2 см2/с;B = 2*10-4 см; μp ≈ 400 см2/В*си eD = μpkT ≈ 32,5 эВ/см. Такимобразом E>> 35 В/см, что легко достижимо в варизонных слоях. Следствием этогоявляется практически полная реализация времени жизни неравновесных носителей вобъёме полупроводников:
– наличиеваризонного слоя соответствующего градиента состава в фоторезисторе исключаетшунтирование рабочей области поверхностными слоями и устраняет вкладповерхностной рекомбинации в шумы вида 1/f;
– варизонныеслои фоторезистора приводят к расширению спектральной области фотоответа иувеличению интегральной чувствительности фоторезистора.
Выводы
Итак, в ходе выполнения курсовой работы я пришелк выводу, что КРТ – не только настоящее, но и будущее полупроводниковойтехнологии. В связи с его преимуществами без КРТ невозможно представить фотоприемнуюпромышленность во всем мире. Считаю, что крайне важно дальнейшее развитиетехнологии и расширение возможностей по внедрению и применению КРТ как материаладля фотодетекторов в нашей стране.
1. Вработе я ознакомился с теорией проводимости полупроводников
2. Рассмотрелтеоретические основы взаимодействия вещества со светом (фотопроводимости).
3. Проанализировалосновные важные для применения свойства КРТ (физико-химические, оптические,электрические)
4. Выделилглавные преимущества этого материала по сравнению с другими полупроводниками,конкурирующими с КРТ в производстве приборов (фотодетекторов),
5. Рассмотрелприборы на основе КРТ: их принцип действия и устройство.
6. Ознакомилсяс особенностями некоторых методов получения КРТ (объемных кристаллов и тонкихпленок).