Относительно однородные и совершенные кристаллы могут быть выращены в таких системах, в которых обеднение расплава в широкозонном бинарном материале компенсируется постоянным пополнением из твердотельных «слаш» (slush) частиц, взвешенных в верхней части расплава.
Большие и однородные кристаллы диаметром до ~5 см можно вырастить, используя зонную плавку. Температуру роста можно существенно 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 с ростом при равновесных условиях, как в методе зонной плавки. Выращивание этим методом кристаллов отличного качества происходит с низкой скоростью роста.
Объемный материал на основе HgCdTe в значительной степени непригоден 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, дают возможность выращивать эпитаксиальные слои большой площади (=30 см2) и сложные многослойные структуры с крутыми и сложными профилями состава и профилями легирования полупроводника, необходимые для достижения высоких рабочих характеристик фотодетекторов. Рост происходит при низких температурах, что позволяет уменьшить плотность собственных дефектов. Благодаря низкому давлению ртути не требуется толстостенных ампул, а рост может быть проведен в стандартных системах промышленного типа. Выращенные таким образом эпитаксиальные слои могут быть отожжены при низкой температуре. Эпитаксиальные слои можно использовать для фоторезисторов без ненадежного и отнимающего много времени процесса уменьшения толщины.
Все эпитаксиальные методы связаны с общей проблемой – потребностью в дешевых подложках большой площади, которые структурно, химически, оптически и механически согласованы с полупроводниками на основе Hg. До настоящего времени не найдено подложки, которая бы удовлетворяла одновременно всем требованиям. CdTe и тройные соединения с близко согласованными решетками из семейства Cd-Zn-Te, Cd-Te-Se и Cd-Mn-Te наиболее часто используются в качестве подложек. Они применяются при выращивании эпитаксиальных слоев с параметрами, соответствующими качеству объемных кристаллов. Подложки обычно выращиваются модифицированным вертикальным и горизонтальным методом Бриджмена без затравки.
Метод горизонтальной направленной кристаллизации Бриджмена (рис. 6.).
В этом методе используется заранее выращенная монокристаллическая затравка. Процесс происходит в атмосфере водорода или инертного газа.
Структурное совершенство кристаллов, получаемых этим методом, выше, чем в вертикальном варианте – открытая поверхность уменьшает механические напряжения. Перемещается либо печь относительно реактора (как на рис. 6.), либо ампула в реакторе. На заводе «Сапфир» этим методом сейчас выращивают, например, сапфир для подложек.
Рис. 6. а) Направленная кристаллизация по методу Бриджмена: 1 – монокристаллическая затравка; 2 – печь; 3 – лодочка; 4 – реактор;
б) График изменения температуры 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 длительного времени, особенно для детекторов с самыми высокими рабочими характеристиками. В случае выращивания эпитаксиальных слоев HgCdTe на подложках CdZnTe размер матриц фокальной плоскости ограничен 8x8 мм.
Перспективный подход для получения дешевых подложек – применение гибридных подложек, которые представляют собой многослойные структуры, состоящие из пластин объемного кристалла, закрытых буферными слоями с согласованной решеткой. Объемные полупроводниковые материалы Si, GaAs, InSb, InP и сапфир являются высококачественными, дешевыми и легкодоступными кристаллами, которые в этом случае можно использовать. В качестве буферных слоев наносится пленка CdZnTe толщиной несколько микрон, полученная неравновесным методом выращивания, обычно осаждением из паровой Фазы. Эта технология относится к так называемой РАСЕ (for Producible Alternative to CdTe for Epitaxy), т.е. эпитаксиальная технология на подложках, альтернативных CdTe. Поглощение сапфиром в ИК-области ограничивает использование РАСЕ-1 (CdTe/сапфир) для матриц фокальной плоскости до длин волн <5.5 мкм. Для диапазона длин волн 8–12 мкм длинноволновой области ИК-излучения разработана технология РАСЕ-2 для производства детекторов, изготавливаемых на подложках из арсенида галлия (GaAs). Поскольку GaAs имеет коэффициент теплового расширения, сравнимый с коэффициентом теплового расширения CdTe, матрицы фокальной плоскости, полученные методом РАСЕ-2, будут иметь те же ограничения размера, как и гибридные матрицы фокальной плоскости на основе CdTe, если не используются схемы считывания на основе GaAs. Однако включение слоев GaAs может приводить к загрязнению Ga пленок соединений А2В6, а также к нежелательному повышению стоимости и сложности процесса. Для увеличения размеров матриц предлагаются два подхода. В первом матрица HgCdTe формируется на Si подложке, которая потом соединяется индием с Si интегральной микросхемой считывания. Во втором она монолитно интегрирована со схемой считывания путем выращивания эпитаксиальных слоев непосредственно на подложке считывающего устройства. Для обоих подходов методика молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) наиболее предпочтительна благодаря лучшему контролю над толщиной слоя и низкой температуре процесса.
В настоящее время наиболее интенсивные исследования проводятся по разработке молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).
Рис.8 Схема установки для выращивания гетероэпитаксиальных структур КРТ методом МЛЭ. 1-ламинарный бокс 2-подложка с носителем 3-модуль загрузки подложек 4-модуль подготовки поверхности подложек 5-модуль выращивания буферных слоев 6-накопительная камера 7-модуль выращивания слоев КРТ 8-встроенный автоматический эллипсометр 9-модуль выгрузки эпитаксиальных структур
Метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Является развитием метода вакуумного напыления. Отличается тем, что в рабочем объеме создаются независимые молекулярные потоки основного и легирующего компонентов. Метод в последнее время получил широкое развитие благодаря получению тонких и сверхтонких слоев п/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 испарения компонентов и т.о. управлять составом молекулярных потоков. Температура подложки определяет величину коэффициента конденсации (прилипания) атомов каждого компонента к подложке.
Наличие глубокого вакуума в установке позволяет оперативно контролировать условия осаждения и качество получаемых слоев непосредственно в процессе их осаждения. Современные установки представляют собой сложные системы с масс-спектрометрами для анализа газовой среды, Оже-спектрометрами для анализа состава получаемых слоев, а также для исследований используют спектроскопию вторичных ионов, дифракцию медленных и быстрых электронов.
Рис.9. Схема молекулярно-лучевой установки: 1 – ячейка Кнудсена; 2 – механическая заслонка; 3 – азотный экран; 4 – водоохлаждаемый экран; 5 – подвижная цилиндрическая заслонка; 6 – пушка дифрактометра быстрых электронов; 7 – Оже-спектрометр с цилиндрическим энергоанализатором; 8 – ионная пушка; 9 – энергетический фильтр; 10 – квадрупольный масс-спектрометр; 11 – дифрактометр медленных электронов; 12 – поворотный карусельный держатель; 13 – флуоресцентный экран дифрактометра быстрых электронов; 14 – встроенный сублимационный титановый насос; 15 – корпус модуля испарительных ячеек.
Рис. 10. Схема реактора для МЛЭ кремния (прямое наращивание кремния на подложке): 1-экран; 2-основа с водяным охлаждением; 3-нить накала источника; 4-электронный пучок; 5-электростатический экран (-V); 6-твердый кремний; 7-расплавленный кремний; 8-пары кремния; 9-держатель подложки; 10-кремниевая подложка; 11-нить подогрева подложки; 12-электронный пучок.
Сущность процесса состоит в испарении п/п вещества и одной или нескольких легирующих примесей. Низкое давление паров п/п и легирующих примесей гарантирует их конденсацию на относительно холодной подложке. Обычно МЛЭ проводят в сверхвысоком вакууме при давлении 10-6 – 10-8 Па. Температурный диапазон составляет 400 – 800 ºС. Технически возможно применение и более высоких температур, но это приводит к увеличению автолегирования и диффузии примеси из подложки.
Этот метод предоставляет уникальные возможности при создании материала и разработке приемников, в том числе самую низкую температуру роста, выращивание сверхрешеток и возможность получения наиболее сложных профилей легирования и состава полупроводника. Большие успехи достигнуты в устранении дефектов, контроле роста и легирования полупроводника, а также в создании ИК электрооптических приборов. Быстрое улучшение качества приемников с прецизионно управляемой архитектурой убедило исследователей в превосходстве молекулярно-лучевой эпитаксии над жидкофазной эпитаксией. Основной недостаток МЛЭ – высокая стоимость оборудования и обслуживания.
Если температура роста для МЛЭ ниже 200 °С, то для метода ГФЭ на металлорганических соединениях она составляет -350 °С, что затрудняет управление легированием полупроводника р-типа проводимости в процессе выращивания из-за формирования вакансий ртути при более высоких температурах роста. As является наиболее предпочтительной легирующей примесью для пленок р-типа, в то время как индий более предпочтителен для получения слоев n-типа. Основные проблемы этих двух методов: образование двойников, требование очень хорошей подготовки поверхности, предшествующей росту, неуправляемое легирование полупроводника, высокие значения концентрации дислокаций и наличие неоднородностей состава. Имеет место постоянное повышение качества пленок, выращиваемых методом неравновесной эпитаксии.
Для уменьшения нежелательных эффектов из-за разности на 19.3% в постоянных кристаллической решетки вводятся буферные слои между HgCdTe и Si. Ранее нанесение буферных слоев CdZnTe на подложках на основе Si было связано с подложками GaAs/Si. Использование тройных буферных слоев CdZnTe позволило достигнуть улучшения морфологии поверхности HgCdTe. К сожалению, межфазный слой GaAs повышает стоимость первоначальной подложки и представляет опасность примесного загрязнения при использовании детектора. В настоящее время для жидкофазных структур на основе HgCdTe (001) используются подложки CdZnTe/ZnTe/Si (001), выращенные методом МЛЭ. В то же время, как и для слоев на основе HgCdTe, выращенных методом МЛЭ, больше внимания уделяется подложкам Si (112) В. Ориентация (112) В предпочтительна из-за ее устойчивости к образованию двойников, a также совместимости с химическим легированием р-типа As. Продемонстрированы изготовленные технологией РАСЕ-3 большие (640 х 480) матрицы фокальной плоскости, структурно выполненные в четырех квадрантах с прямой инжекцией и непосредственным считыванием в канале, высокоскоростные, с архитектурой переключателей на основе полевых транзисторов. Ранее МФП того же формата были созданы с помощью технологии эпитаксии из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (МОСГФЭ) для получения альтернативных подложек CdZnTe/GaAs/Si и последующего выращивания р-п двухслойных гетеропереходов (ДСГП) на основе HgCdTe методом жидкофазной эпитаксии из Hg-расплава с контролируемым легированием.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
