СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЕВ N-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ В ОБРАЗЦАХ CdHgTe Р-ТИПА Российский патент 1995 года по МПК H01L21/425 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к производству фотоприемных устройств, линеек, матриц, МДП-фотодиодов, приборов зарядовой связи и инжекции ИК-диапазона.

Известны способы получения n-слоев на материале Сd_xHg_1-xTe (х=0,2) p-типа проводимости электролитическим анодированием поверхности CdHgTe (КРТ) с последующим термическим отжигом образца при 125-230^о С в интервале 100с 40 ч [1] Физический механизм инверсии проводимости в данном случае не ясен, но предполагается, что в процессе окисления образуется поверхностный слой материала, обогащенный ртутью (Hg). Термическая разгонка приводит к диффузии Hg вглубь образца по междоузлиям, в которых она остается и дает донорные центры.

Основным недостатком этого способа является изменение стехиометрии материала в процессе образования анодной окисной пленки с вариацией состава х на величину Δ x ± 0,1 при длительных высокотемпературных отжигах, требующих разработки специальных режимов.

Другим распространенным способом получения p-n-перехода на КРТ p-типа является ионная имплантация [2]
Основным недостатком указанного способа является то, что в процессе торможения ускоренного иона в кристалле образуется большое количество дефектов, которые и определяют характеристики облученного слоя. Поэтому независимо от типа используемой примеси практически всегда образуется n⁺(сильнолегированный) поверхностный слой.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ инверсии типа проводимости с p- на n-тип в CdHgТе при воздействии на поверхность кристалла пучком ускоренных ионов аргона с энергией 0,5 кэВ [3] При этом воздействии формируются n-слои на глубину 10-100 мкм.

К основным недостаткам этого способа следует отнести распыление поверхности кристалла со скоростью 30-50 /мин, изменение стехиометрии приповерхностных слоев, генерацию дефектов структуры кристалла. Такие процессы обусловлены тем, что ускоренный ион при своем торможении производит смещение 10-10² атомов из узловых позиций.

Целью изобретения является получение слоев n-типа проводимости с хорошими электрофизическими характеристиками (высокой подвижностью μ 10⁵ см²/Вс и большим временем жизни неравновесных носителей заряда τ 1 мкс) на кристаллах p-типа без изменения стехиометрии и распыления материала Cd_xHg_1-xTe за счет воздействия ионов малой энергии ( 10 эВ).

Наличие таких характеристик, как высокая подвижность, равная 10⁵см²/Вс, и высокое время жизни неравновесных носителей заряда 1 мкс, диктуется необходимостью эффективного сбора носителей заряда в фотоприемнике. Глубина l, с которой происходит сбор фотогенерированных носителей, определяется формулой l μ τ Е, где Е напряженность поля в области пространственного заряда. Нарушение стехиометрии материала КРТ приводит к изменению спектрального диапазона фоточувствительного элемента при возрастании х происходит увеличение Е_g ширины запрещенной зоны и край оптического пропускания смещается в коротковолновую область. Процесс распыления является нежелательным в силу того, что он приводит к нарушению стехиометрии кристалла.

Цель достигается тем, что по способу получения слоев n-типа проводимости в образцах CdHgTe p-типа обработку поверхности полупроводника ускоренными ионами осуществляют в плазме ВЧ-разряда инертного газа или водорода с энергией ионов 1-10 эВ и плотностью тока 4-8 мкА/см². При этом для получения на поверхности полупроводника слаболегированных (глубококомпенсированных) n-слоев, после обработки поверхности образца в плазме ВЧ-разряда проводят послойное удаление поверхностных слоев образца, чередуя с контролем концентрации свободных носителей на поверхности, до слоя с концентрацией электронов n ≅ 2^.10¹⁴см^-3 при х ≅ 0,22.

Использование плазмы ВЧ-разряда инертного газа или водорода с энергией ионов 1-10 эВ для воздействия на поверхность полупроводника приводит к получению бездефектного материала n-типа проводимости на p-CdHgTe без изменения стехиометрии и распыления поверхности обрабатываемых образцов, что соответствует критерию "Изобретательский уровень".

Плотность тока ВЧ-разряда составляет j= 4-8 мкА/см². При большем токе, j > 8 мкА/см², происходит распыление поверхности образцов, при меньшем, j< 4 мкА/см², не формируется n-слой. Давление в разрядной камере, равное 10^-2 мм pт.ст. выбирается оптимальным для устойчивого существования плазмы.

Для плазмы ВЧ-разряда присущи энергии ионов и электронов 1-10 эВ (Boening H. V. Plasma Science Covnell Univ. Ithaka, N 4, 1983, chap 13, р. 36). Ионы с малой энергией не нарушают структуру и стехиометрию поверхности кристалла, поэтому использование ВЧ-разряда для обработки полупроводниковых А^IIB^VI является перспективным. Как показали эксперименты, выдержка образцов Cd_xHg_1-xTe с х0,2-0,25 p-типа проводимости в плазме ВЧ-разряда с плотностью тока j 4-8 мкА/см² при t > 2 мин приводит к формированию слоев n-типа проводимости с глубиной h ≈10-100 мкм.

Предлагаемый способ получения слоев n-типа проводимости на образцах Cd_xHg_1-xTe p-типа включает в себя следующие последовательно выполняемые операции: химико-динамическую полировку рабочей поверхности КРТ, обработку в плазме ВЧ-разряда водорода или инертных газов, удаление поверхностного слоя КРТ толщиной h_o до глубококомпенсированной области, характеризующейся концентрацией электронов ≈ 2^.10¹⁴ см^-3.

Химико-динамическая полировка служит для удаления поверхностно-нарушенных слоев и является обычной операцией в технологии КРТ (Берченко Н.Н. Пpевс В. Е. Средин В.Г. Полупроводниковые твердые растворы и их применение. М. Воениздат, 1982, с.208).

Процесс обработки поверхности КРТ в плазме ВЧ-разряда проводят без приложения напряжения к образцу. Во время обработки происходит выход ртути в междуузельные состояния и диффузия ее вглубь полупроводника. Это вызывает инверсию проводимости поверхностного слоя (Bubulac L.O. I.Cryst. Growth, 1988, v. 86, р. 723-734). Такой процесс имеет пороговое значение плотности тока ВЧ-разряда, равное 4 мкА/см². Глубина (h) конвертируемого слоя определяется лишь коэффициентом диффузии ртути (D) и временем обработки (t):h . для промышленно выпускаемого Cd_xHg_1-xTe (х 0,20-0,25) p-типа, в котором концентрация акцепторов N_A≈10¹⁵-10¹⁶ см^-3, экспериментально найдено значение D≈ (3-1)^.10^-8 см²/с. Изучение границы раздела между исходной и обработанной в ВЧ-плазме поверхностями с помощью интерференционного микроскопа МИ-4 не выявило наличие распыления поверхностного слоя при плотности тока ВЧ-разряда до 8 мкА/см², даже при обработках в течение нескольких часов. Отсюда область допустимых значений плотности тока ВЧ-разряда 4-8 мкА/см². Для образования n-слоя при N_А= 10¹⁵-10¹⁶ см^-3 обработку поверхности достаточно проводить в течение 1-102 мин. Уменьшение времени обработки (меньше 1 мин) сужает n-слой до значений < 1 мкм, приводя к невозможности подавления в области пространственного заряда туннельных токов, а следовательно, и получения обнаружительной способности фотоприемников дальнего ИК-диапазона, ограниченной лишь диффузиоными и генерационными токами. Увеличение времени обработки t > 10² мин приводит к образованию слоя на глубинах больше нескольких сот микрон, что нежелательно при необходимости удаления больших толщин дорогостоящего КРТ. Полученные структуры пригодны для создания фотоприемников на основе n-р-переходов по одной из известных технологий, включающей нанесение диэлектриков и формирование электродов регистрации и обработки информации (Proc. IEDM. Washington, 1980, р.567).

Удаление поверхностного слоя осуществляют любым известным способом, например травлением (Берченко Н.Н. Преве В.Е. Средин В.П. Полупроводниковые твердые растворы и их применение. М. Воениздат, 1982, с.208).

Осуществление заявляемого способа поясняется с помощью устройства, представленного на фиг.1, где 1 кварцевый реактор, 2 печь, 3 термопара, 4 электроды УВЧ-разряда, 5 образец, 6 крышка, 7 загрузочный канал, 8 турбомолекулярный насос, 9 газовый натекатель, 10 окно, 11 датчик давления.

Устройство содержит вакуумную камеру, которая откачивается с помощью турбомолекулярного насоса 8 до давления 10^-7 мм рт.ст. В камере расположен кварцевый реактор 1 с печью 2 резистивного нагрева. В кварцевой капсуле находится термопара 3 для контроля температуры. Крышка 6 с притертыми краями к реактору позволяет помещать образец 5 и создавать перепад давления между камерой и реактором два-три порядка. Электроды 4 находятся снаружи реактора. На них подается переменное напряжение с частотой 40,56 МГц от УВЧ-генератора. Плотность тока ВЧ-разряда составляет 4-8 мкА/см². Газовый натекатель 9 позволяет подавать рабочий газ в объем реактора. Для наблюдения за плазмой в камере имеется смотровое окно 10.

П р и м е р 1. Образцы объемного Cd_xHg_1-xTe (х0,2) p-типа, легированного In, помещают в реактор. Вакуумную камеру откачивают до 10^-7 мм рт.ст. включают генератор УВЧ-66 на мощность 20 Вт, напускают аргон. По достижении давления 10^-2 мм рт.ст. в реакторе зажигают ВЧ-разряд, который и создает плазму слабоионизированного газа. Образцы КРТ выдерживают в течение 20 мин при j 6 мкА/см². УВЧ-генератор выключают, создают в камере атмосферу. Подобная обработка позволяет осуществить инверсию проводимости в Cd_xHg_1-xTe с p- на n-тип на глубину 85 мкм. Глубина n-слоя h аппроксимируется по формуле h , где D 2^.10^-8 м²/с; t время обработки, π 3,14. Полученный n-слой имеет μ3^.10⁴ см²/Вс и концентрацию электронов на поверхности N_S 6,9^.10¹³см^-2.

П р и м е р ы 2-8. Заявляемым способом были получены и другие структуры (2-8) со слоем n-типа проводимости Cd_xHg_1-xTe (х0,20-0,25). Примеры режимов обработки образцов КРТ и параметры полученных n-слоев приведены в таблице, где указаны состав х и концентрация акцепторов N_А в исходном материале, время обработки t в плазме, плотность тока j и характер атмосферы разряда, полная глубина n-слоя h, толщина слоя h_o, который необходимо удалить, чтобы остаточная концентрация электронов в n-слое составляла 2^.10¹⁴ см^-3, концентрация электронов на поверхности N_S, подвижность μ электронов в n-слое.

Данные об образцах получены из дифференциальных холловских измерений при 77 К (Кучис Е.В. Методы исследования эффекта Холла. М. Сов. Радио, 1974, с. 328). Профили n(x) распределения носителей заряда в образцах Cd_xHg_1-xTe после обработки в плазме аргона при j 6 мкА/см² и t 20 мин показаны на фиг.2 (1 и 2 распределение слоевой, 1а и 2а объемной концентрации электронов, 1б и 2б подвижности электронов). Образцы отличаются друг от друга исходной концентрацией дырок: n_А n_D 4,3^.10¹⁵ см^-3, n_А n_D 90^.10¹⁵ см^-3. Время жизни неравновесных носителей заряда в n-слое 1 мкс.

Полученные структуры могут быть непосредственно использованы для создания фотоприемников на основе n-p-переходов. Наличие между n⁺-слоем и объемом глубококомпенсированной области толщиной 1 мкм позволяет использовать структуры для создания фотоприемников на основе МДП-систем. Для этого необходимо перед формированием МДП-систем удалить поверхностный n-слой КРТ толщиной h_o так, чтобы на поверхность вышла глубококомпенсированная область с концентрацией электронов 2^.10¹⁴ см^-3. Фотоприемники дальнего ( 10 мкм) ИК-диапазона, созданные на структурах с n-слоем, глубококомпенсированным, имеют обнаружительную способность D^* не менее чем на порядок больше.

Для Cd_xHg_1-xTe с шириной запрещенной зоны ≈ 0,1 эВ (х 0,21-0,22) максимальные значения D^* для фотоприемников на основе МДП-систем при 77 К достигаются при концентрации свободных носителей 2^.10¹⁴ см^-2 (Антонов В.В. Войцеховский А.В. V Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск, 1979, ч.4, с.78-80). Поэтому для образцов 5-9 удаление поверхностных n-слоев КРТ толщиной h_oоткрывает возможность для таких фотоприемников увеличить на два порядка их обнаружительную способность. Это связано с подавлением в таких фотоприемниках туннельного тока за счет уменьшения напряженности электрического поля в области пространственного заряда (Gonsales G. Centeno G.M. Infr. Phys. v.31, N 1, р. 69-72, 1991; Rogalski A. Piotrowski I. Prog. Quant. Electr. v.12, р.87-289, 1988).

Кроме того, заявляемый способ можно использовать для инверсии эпитаксиальных пленок p-типа. Для этого обработку пленок в плазме ВЧ-разряда проводят в течение времени, при котором глубина инвертируемого слоя (h) равна толщине эпитаксиальной пленки (d):
d h или t d²/πD
Состав обрабатываемых образцов не изменился с точностью х ≈ 0,001. Определение х осуществилось с помощью оптического отражения света от поверхности на глубину зондирования 30 нм. Не обнаружено распыления поверхности образцов под действием плазмы: нет ступени между защищенным и открытым участками образца, выдержанного в плазме t > 20 мин. Измерения осуществлялись с помощью интерференционного микроскопа МИ-4. На высокое совершенство кристаллической структуры в приповерхностном слое указывают большое время жизни неравновесных носителей заряда τ= 1 мкс и высокая подвижность электронов μ 10⁵ см²/Вс (Т измерения 77 К).

Предлагаемый способ обработки может быть реализован на любой другой установке плазмохимического травления или любом вакуумном посте, выпускаемом серийно.

Использование предлагаемого способа получения слоев CdHgTe n-типа проводимости на материале p-типа обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества. Использование стандартного оборудования меньшей стоимости по сравнению с промышленными ионными ускорителями позволяет осуществить быстрое внедрение данного способа в практику. Применение "мягкого" радиационного воздействия типа плазмы ВС-разряда позволяет получать совершенные слои n-типа проводимости без распыления поверхности материала и без изменения его стехиометрии.

Испоьзование: в технологии изготовления фотоприборов. Сущность изобретения: способ заключается в обработке поверхности образца из Cd_xHg_1-xTe p-типа в плазме высокочастотного разряда ускоренными ионами с энергией 1 - 10 эВ и плотностью тока 4-8 мкА/см². Затем проводят послойное травление образца, чередуя его с контролем свободных носителей на поверхности. Травление проводят до слоя с концентрацией электронов n ≅ 2·10¹⁴ см^-3 для x ≅ 0,22 . 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЕВ N-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ В ОБРАЗЦАХ Cd_xHg_1-xTe Р-ТИПА, включающий обработку поверхности образцов ускоренными ионами, отличающийся тем, что обработку ускоренными ионами осуществляют в плазме высокочастотного разряда инертного газа или водорода с энергией ионов 1-10 эв и плотностью тока 4-8 мкА/см². 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после обработки поверхности образцов в плазме высокочастотного разряда проводят послойное удаление поверхностных слоев образца, чередуя его с контролем концентрации свободных носителей на поверхности, до слоя с концентрацией электронов n ≅ 2 · 10¹⁴ см^-3 при x ≅ 0,22.