Среди эпитаксиальных методов жидкофазная эпитаксия является наиболее развитым методом выращивания качественных однородных пленок и многослойных структур. Как следует из диаграмм состояния, выращивание методом жидкофазной эпитаксии происходит из псевдобинарных HgTe-обогащенных, Те- и Hg-обогащенных растворов. Первый подход в настоящее время не имеет никакого практического значения, главным образом, 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 успехом использовался в различных конфигурациях. Рост из Те-раствора происходит при самом низком давлении ртути (=0.1 атм.). Основной трудностью являются окончательное удаление Те-обогащенного расплава с выращенных слоев и адаптация технологии для промышленных потребностей. Подобных проблем не возникает при выращивании из Hg-обогащенных растворов. Еще одним важным преимуществом этого подхода является легкость, с которой нужные примеси могут быть внедрены в Hg-обогащенные растворы. В отличие от метода выращивания из Те-обогащенных растворов, состав растущих слоев может быть радикально изменен в результате обеднения расплава Cd из-за низкой растворимости CdTe в Hg-обогащенных растворах. Этот недостаток был преодолен при помощи так называемого метода выращивания «неограниченный расплав». Термин «неограниченный расплав» 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 слои выращивались на подложках CdTe, CdZnTe, CdTeSe и гибридных подложках. Была продемонстрирована высокая однородность состава для х = 0.223 ± 0.001 по площади в пределах от 43 до 54 см2. При управлении воспроизводимостью состава х = 0.226 ± 0.0033 при многократном выращивании (~200) достигается производительность >8000 см2. Постоянными проблемами при выращивании методом ЖФЭ являются частые случаи террасной поверхностной морфологии, резкость границы раздела и относительно высокая плотность дефектов несоответствия и линейных дислокаций.

Выращивание из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (МОСГФЭ) – неравновесный метод, который представляется наиболее перспективным для будущего крупномасштабного и дешевого производства эпитаксиальных слоев. Главные преимущества его – невысокая температура роста и возможность изменения условий роста в процессе выращивания для получения заданной ширины запрещенной зоны и профилей легирования полупроводника. Невысокая температура осаждения позволяет использовать гораздо большее число видов подложек по сравнению с жидкофазной эпитаксией. МОСГФЭ наиболее часто используется для производства гибридных подложек для Hg1-xCdxTe. Особенность метода состоит в том, что в эпитаксиальном реакторе создается высокотемпературная зона, в которую поступает газовая смесь, содержащая разлагаемое соединение. В этой зоне протекает реакция и происходит выделение и осаждение вещества на подложке, а газообразные продукты реакции уносятся потоком газа-носителя.

1.6 Приборы на основе КРТ

Краткая справка.

В 1959 г. началось развитие исследований твердых растворов Hg1-xCdxTe (HgCdTe) с переменной шириной запрещенной зоны, предоставляющих широкие возможности для создания ИК-детекторов. Технологии выращивания HgCdTe развивались и продолжают развиваться, прежде всего, для военных применений. Требование секретности значительно замедляло сотрудничество среди исследовательских групп на национальном и особенно на международном уровне. Основное внимание привлекало создание матрицы фокальной плоскости (МФП), и намного меньше внимания уделялось исследованиям. Однако более чем за три десятилетия произошел значительный прогресс. В настоящее время HgCdTe является наиболее широко используемым полупроводником с переменной шириной запрещенной зоны для создания ИК-фотодетекторов.

Сначала рассмотрим принцип действия ИК-детекторов в общем.

ИК-детекторы.

В детекторах класса фотоприёмников излучение поглощается внутри материала в результате взаимодействия с электронами, связанными с атомами решётки или с примесными атомами, а также со свободными электронами. Наблюдаемый выходной сигнал обусловлен изменением энергетического распределения электронов. Фотонные детекторы (фотоприёмники) обладают селективной спектральной зависимостью фотоотклика при одинаковой мощности падающего излучения, обеспечивают хорошие пороговые характеристики и высокое быстродействие. Но для достижения этого требуется охлаждение фотоприёмников до криогенных температур. Фотоприёмники, длинноволновая граница которых 3 мкм, обычно охлаждены. Охлаждение необходимо для уменьшения тепловой генерации носителей заряда. Тепловые переходы конкурируют с оптическими, что приводит к большому шуму в неохлаждённых приборах.

Таблица 2. Типы полупроводниковых фотоприёмников

В зависимости от природы взаимодействия класс фотоприемников подразделяется на различные типы. Наиболее важные из них:

– собственные детекторы;

– примесные детекторы.

Второй класс детекторов ИК-излучения – тепловые детекторы. В тепловом детекторе падающее излучение при поглощении изменяет температуру материала и результирующее изменение некоторых физических свойств используется для генерации электрического выходного сигнала.

Сигнал не зависит от фотонной природы падающего излучения. Так как тепловые эффекты обычно не зависят от длины волны, выходной сигнал зависит от мощности излучения (или скорости её изменения), а не от его спектрального состава. При этом предполагается, что механизм, ответственный за поглощение излучения, сам по себе не зависит от длины волны, что, строго говоря, неверно в большинстве других случаев. В пироэлектрических детекторах измеряется изменение внутренней электрической поляризации, в то время, как в случае термисторных болометров – изменение электрического сопротивления. В отличие от фотоприёмников, тепловые детекторы обычно действуют при комнатной температуре. Они, как правило, характеризуются невысокой чувствительностью и большой инерционностью (потому что нагрев и охлаждение элемента детектора происходит довольно медленно), но дешевле и удобнее. Из-за своей дешевизны они широко используются там, где не требуются высокая эффективность и быстродействие. Будучи неселективными приборами, они часто применяются в ИК-спектрометрах.

Неохлаждаемые, монолитные матричные приёмники фокальной плоскости (МФП) на основе тепловых детекторов могут коренным образом изменить направление разработок формирователей теплового изображения.

Теперь рассмотрим более подробно приборы на основе КРТ

Приемники на основе КРТ.

На рис. 11 представлена типичная структура HgCdTe фоторезистора. Основной частью такой структуры является слой HgCdTe толщиной 3–20 мкм с контактами. Оптимальная толщина активной области (несколько микрометров) зависит от рабочей температуры и имеет меньшее значение в неохлаждаемых устройствах. Толщина обычно выбирается порядка a-1, где а – коэффициент оптического поглощения. Если толщина меньше, чем диффузионная длина неосновных носителей заряда, рекомбинация носителей заряда на поверхности может преобладать в процессе рекомбинации для некорректно изготовленного детектора. Чтобы получить времена жизни, ограниченные объемными процессами, необходимо уменьшить скорость поверхностной рекомбинации приблизительно до 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 поток неосновных носителей к поверхностным рекомбинационным центрам. Для получения обогащенной поверхности с низкой скоростью рекомбинации часто используется собственный оксид на верхней поверхности, полученный анодным окислением. Верхняя поверхность обычно покрывается пассивирующим слоем и антиотражающим покрытием. Поверхность с обратной стороны приемника также пассивируется. Напротив, поверхность тыльной стороны эпитаксиального слоя, выращенного на CdZnTe подложке, не требует никакой пассивации. Детекторы соединяются с теплопроводящими подложками.

Для увеличения поглощения излучения детекторы иногда снабжаются тыльным золотым отражателем, изолированным от фоторезистора слоем ZnS или подложкой. Толщина полупроводника и двух диэлектрических слоев выбирается таким образом, чтобы получился оптический резонатор со стоячими волнами в структуре с максимумами на передней поверхности и узлами – на обратной.

Рис. 11 Поперечное сечение типичного HgCdTe фоторезистора

Фоторезисторы на объёмных монокристаллах КРТ.

Для большинства фоторезисторов на основе HgCdTe используется объемный материал, выращенный методом Бриджмена или методом твердотельной рекристаллизации, хотя сейчас применяется материал, изготовленный методами газо- и жидкофазной эпитаксии: ЖФЭ, МОСГФЭ и МЛЭ

В течение последующих с начала развития лет технология изготовления ОМ КРТ перетерпела ряд важных изменений. Была разработана и освоена технология выращивания МК из двухфазной смеси и внедрено легирование монокристалла индием. Первое мероприятие обеспечивало более высокую однородность состава и свойств МК по пластине, увеличивало выход годных. Легирование индием решило проблему стабильности ОМ КРТ, повысило однородность электрофизических и фотоэлектрических свойств, а также повысило выход годных. Изменения технологии получения ОМ КРТ неизбежно приводили к изменениям технологии изготовления фотоприемников. Главным направлением в разработке фотоприемников для тепловидения было создание фоторезисторов из ОМ КРТ на диапазон 8 – 14 мкм. До сегодняшнего дня фоторезисторы из КРТ являются основными сенсорами в различных видах тепловизионной техники.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8