Статья: Исследование стабильности характеристик фотодиодов из CdxHg1-xТе.

Л. А. Бовина, В. И. Стафеев, К. О. Болтарь
Государственное унитарное предприятие “Научно-производственное объединение “Орион”,
Москва, Россия

В. М. Лакеенков
“Гиредмет” , Москва, Россия

М. А. Лощинина
НПО “Геофизика”, Москва, Россия

Приведены результаты исследований стабильности фотодиодов из КРТ. Проанализированы возможные причины нестабильности. Показана высокая временная и температурная стабильность параметров фотодиодов, изготовленных методом ионного легирования на монокристаллах р-типа проводимости, при температурах хранения до 70°С.

Фотодиоды из твердого раствора теллуридов кадмия - ртути CdxHg1-xTe (КРТ) в последние годы стали основным фоточувствительным элементом современной инфракрасной техники. Особенно возросла их роль после создания матричных фотоприемников. Однако бытует мнение, что из-за высокой скорости диффузии атомов ртути фотоприемники из КРТ должны быть нестабильны во времени и особенно, при хранении при повышенных температурах. Наибольший интерес представляют фотодиоды на спектральный диапазон
8-12 мкм. Поскольку в них концентрация ртути наиболее высокая (х ~0,2), то в них наиболее четко должна проявляться возможная нестабильность. В связи с этим нами в 1990 г. были поставлены исследования стабильности фотодиодов этого спектрального диапазона.

Возможные причины нестабильности

Стабильность монокристаллов КРТ. Фотодиоды работают при охлаждении до температуры жидкого азота и ниже. Поэтому они подвергаются при каждом включении термоударам с перепадом температуры до 200-250°С. В зависимости от области применения такие изменения температуры могут происходить за времена от нескольких минут до нескольких секунд. Резкое охлаждение приводит к возникновению внутренних напряжений, которые могут вызывать появление структурных дефектов. Для уменьшения вероятности их появления необходимо использование структурно совершенного материала без включений вторых фаз и без малоугловых границ.

При длительном хранении при повышенных температурах возможно изменение объемных свойств КРТ из-за диффузии ртути, имеющей высокий коэффициент диффузии, а также из-за ухода растворенных в объеме и адсорбированных на поверхность газов.

Нами проведено исследование термостабильности КРТ вплоть до Т = 400°С. Методами масс-спектроскопии изучался состав выделяющихся из КРТ элементов. Показано, что прогрев в течение нескольких часов до температур 200-250°С в вакууме приводит только к удалению поверхностных загрязнений. При достаточно хорошей подготовке поверхности эти загрязнения составляют всего 0,02-0,05 моноатомного слоя. При более высоких температурах начинает сказываться диффузия из объема полупроводника таких элементов, как Н, С, О и Hg. Одновременно происходит и перестроение атомов в объеме.

При концентрации носителей порядка 1014 см-3 прогрев в течение нескольких месяцев при Т = +60°С уже приводит к изменению электрофизических характеристик, что может вызвать изменение параметров фотоприемников из такого материала. При концентрациях порядка 1016 см-3 соответствующие времена во много раз увеличиваются и даже при Т = +70°С заметных изменений параметров материала не наблюдается в течение многих лет. Все это относится, естественно, к материалу с высоким структурным совершенством.

Нанесение на поверхность полупроводника хорошей диэлектрической защитной пленки значительно замедляет все деградационные процессы и существенно повышает термостабильность КРТ.

В фотодиодах используется КРТ высокого структурного совершенства и его поверхность тщательно очищается и защищается хорошим диэлектриком. Поэтому деградацию монокристалов КРТ в фотодиодах при температурах хранения до +70°С можно не учитывать.

Стабильность легированной n-области р-n-перехода в значительной степени определяется технологией ее создания. В настоящее время наиболее распространенным технологическим методом легирования является имплантация ионов высокой энергии. Концентрация возникающих при этом процессе доноров намного больше количества имплантированных ионов из-за образования механодоноров [1]. Они образуются и при малых энергиях ионов и даже при облучении быстрыми электронами. Степень их термостабильности сильно зависит от энергии ионов.

Стабильность границы раздела поверхности КРТ - диэлектрическая пленка определяется в первую очередь качеством очистки поверхности перед нанесением пленки, от ее качества и состава (наличие пор и загрязнений), от диффузии ртути и примесей из объема КРТ. При рабочих условиях и при хранении последний процесс существенной роли не играет.

Таким образом, стабильность границы раздела полностью определяется совершенством технологических методов и выбором наносимого диэлектрика.

Стабильность поверхности фотодиодов определяется качеством очистки поверхностей криостатирующего баллона. Поскольку фотодиод работает в условиях глубокого охлаждения и в корпусе он находится в самой холодной точке, то во время работы происходит “перекачка” всех “загрязнений” на поверхность фотодиода. Эти “загрязнения” могут существенно увеличивать токи “утечки” и шумы.

Исходный материал

Фотодиоды изготавливались из монокристаллических пластин КРТ состава х = 0,21 р-типа проводимости. Монокристаллы КРТ выращивались (Гиредмет) методом перекристаллизации из предварительно синтезированной шихты с непрерывной подпиткой зоны расплава из твердой фазы. Выращенные кристаллы разрезались на пластины, которые подвергались механико-химической обработке и двуступенчатому отжигу в насыщенных парах ртути. Финишная температура отжига 270°С. Концентрация дырок в пределах (4 - 8)·1015 см-3, подвижность около 400 см²·В-1·с-1, плотность дислокаций порядка 104 см-2, время жизни неосновных носителей около 100 нс, что соответствует длине диффузионного смещения
80-100 мкм. Включения, выделения вторых фаз и малоугловые границы отсутствуют. Толщина образцов 500-600 мкм.

Фотодиоды изготовлялись по разработанной в НПО “Орион” технологии. Р-n-переход создавался методом ионного легирования ионами бора с энергией 150 кэВ. Размеры p-n- перехода 75х75 мкм и глубина залегания 0,5 мкм. Размеры фоточувствительной площадки контролировались с точностью 5 мкм. Концентрация носителей с легированием n-области составляла 5·1017 см-3. Сопротивление при обратном смещении 30 мэВ было в пределах 1-2 МОм при красной границе 11- 12 мкм. Образцы находились в атмосфере азота и размещались в стандартном корпусе для малоэлементных фотоприемников с апертурой 60°. Окно изготавливалось из просветленного германия. Все детали корпуса тщательно очищались и обесгаживались. Перед окончательной герметизацией корпус подвергался длительной откачке при подогреве в “чистом” глубоком вакууме.

При изготовлении фотодиодов большое внимание уделялось подготовке и тщательной химической очистке поверхности для максимального исключения механодоноров (Бовина Л. А., Стафеев В. И. и др. Дефекты в CdxHg1-xTe, создаваемые облучением СО2-лазера. Примеси и дефекты в узкозонных полупроводниках: Матер. Всес. семинара по проблеме “Физика и химия полупроводников”. - Павлодар: Ромайор, 1987.) и загрязнений. Поверхность защищалась наносимыми в чистом вакууме пленками SiO2 или Al2O3. Качество границы раздела контролировалось по CV- характеристике.

Методика исследований

Основным параметром фотоприемника является обнаружительная способность. Фотоприемники дальнего ИК-диапазона спектра работают при глубоком охлаждении. Для фотоприемников на основе КРТ - это температура жидкого азота. Поэтому нами был выбран именно этот параметр для контроля стабильности фотодиодов.

Было проведено три группы исследований:

Термоциклирование - циклическое изменение температуры от +60°С до -60°С. Проводилось 10 температурных циклов по два цикла в день. Каждый цикл включал двухчасовую выдержку в нерабочем состоянии при упомянутых температурах.

Испытания на воздействие повышенной температуры (режим хранения) состояли в выдержке в нерабочем состоянии в течение 100 ч при Т = +60°С С и затем при Т = +70°С в течение 50 ч. Таких циклов также было проведено три. Таким образом, полное время хранения при Т = +60°С составляло 300 ч. и при Т = +70°С - 150 ч.

Перед каждым испытанием и после него проводился замер обнаружительной способности при нормальных условиях. Измерения проводились в обычных лабораторных условиях без контроля температуры окружающей среды и фоновой освещенности. По этим причинам наблюдался некоторый разброс значений обнаружительной способности перед началом испытаний.

Исследования временной стабильности нами были начаты в 1990 г. и проводились до настоящего времени. Образцы хранились при комнатной температуре в лабораторном помещении без каких-либо специальных мер защиты. Испытания сводились к периодическим измерениям обнаружительной способности в нормальных условиях.

На исследования было поставлено 8 фотодиодов.

Температурная стабильность

В табл. 1 представлены результаты испытаний 6 фотодиодов на термоциклирование и на выдержку при повышенных температурах +60 и +70°С. Проведенные испытания показали, что фотодиоды не ухудшают своих характеристик как при термоударах, так и при длительных выдержках при температуре +70°С. Все измерения проведены в НПО “Геофизика”.

Т а б л и ц а 1

Температурная стабильность обнаружительной способности
D*lмах·(1010) Вт-1·см·Гц-1/2

Среднее значение D*/D*0 по фотодиоду N 1-1,11; среднее значение D*/D*0 по фотодиоду N 2-1,09.

Временная стабильность

В табл. 2 приведены результаты исследований временной стабильности, проведенные на восьми фотодиодах.

Т а б л и ц а 2

Временная стабильность обнаружительной способностиD*lмах·(1010) Вт-1·см·Гц-1/2

Во время всех испытаний максимальное отклонение D(D*/D0) в %,-4+2

В первой графе указано среднее значение обнаружительной способности, измеренное в НПО “Орион” перед передачей в НПО “Геофизика”. Во второй графе - значение этого параметра, измеренное в НПО “Геофизика”. Некоторое различие может быть связано с различием фоновой обстановки и с различием измерительных установок. Последний замер в августе 1998 г. был сделан в НПО “Орион”. Все остальные измерения проведены в НПО “Геофизика”.

В других графах приведены значения обнаружительной способности, отнесенной к ее паспортному значению. В последней графе указаны максимальные значения (в %) отклонений измеренных значений обнаружительной способности от паспортного значения.

Проведенные испытания показали, что в пределах точности измерений обнаружительная способность за восемь лет хранения не ухудшилась. Таким образом, разработанная технология выращивания монокристаллов CdxHg1-xTe (НПО “Гиредмет”) и технология фотодиодов (НПО “Орион”) обеспечивают возможность создания высокостабильных фотодиодов, выдерживающих длительное хранение при температурах до +70°С.

STUDY OF CdHgTe PHOTODIODES PERFORMANCE STABILITY

L. A. Bovina, V. I. Stafeev, K. O. Boltar
The State Unitary Enterpraise “RD&P Centre “Orion”, Moscow, Russia

V. M. Lakeenkov
RD&P Centre Giredmet, Moscow, Russia

M. A. Loschinina
RD&P Centre Geophysics, Moscow, Russia

Cadmium Mercury Telluride (MCT) photodiodes stability have been investigated. Possible reasons of instability are analyzed. High temporary and temperature stability at storage temperature up to 70°C of ion implanted in p- type CMT crystals photodiodes is shown.