Способ получения эпитаксиальных слоёв cdxhg(1-x)te p-типа проводимости


 


Владельцы патента RU 2602123:

Акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет" (RU)

Изобретение относится к технологии материалов электронной техники, а именно к способам получения эпитаксиальных слоев полупроводниковых твердых растворов CdxHg1-xTe для изготовления на их основе фотовольтаических приемников инфракрасного излучения. Способ получения эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe р-типа проводимости включает выращивание эпитаксиального слоя CdxHg1-xTe с химическим составом в интервале от х=0,19 до х=0,33 мольной доли теллурида кадмия методом жидкофазной эпитаксии в запаянной кварцевой ампуле из раствора-расплава на основе теллура при температуре 500÷515°С и in situ отжиг эпитаксиального слоя в парах шихты, из которой он был выращен, сначала при температуре 350÷370°С в течение 1÷2 ч, а затем при температуре 200÷240°С в течение 20÷24 ч. Техническим результатом изобретения является воспроизводимое получение эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe р-типа проводимости с концентрацией носителей заряда (0,5÷2,0)×1016 см-3 при 77К с высокими значениями подвижности носителей заряда и однородным распределением электрофизических характеристик по толщине эпитаксиального слоя, а также сокращение времени производства эпитаксиальных слоев. 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии материалов электронной техники, а именно к способам получения эпитаксиальных слоев полупроводниковых твердых растворов CdxHg1-xTe р-типа проводимости, используемых для изготовления фотовольтаических приемников инфракрасного излучения, которые находят широкое применение в медицине, строительстве, экологическом мониторинге, пилотажно-навигационных системах, в космической технике и во многих других отраслях экономики.

Наибольший практический интерес представляют твердые растворы CdxHg1-xTe в интервале химических составов от х=0,19 до х=0,33 мольной доли теллурида кадмия. На основе CdxHg1-xTe этих составов изготавливают фотоприемники с областью спектральной чувствительности 3÷5 мкм и 8÷12 мкм, что соответствует окнам прозрачности атмосферы. При этом к электрофизическим характеристикам эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe р-типа проводимости выдвигаются следующие требования: концентрация носителей заряда при 77К р=(0,5÷2,0)×1016 см-3, подвижность носителей заряда µp при 77К для составов вблизи х=0.2 не менее 450 см2 В-1 с-1, а для составов вблизи х=0,3 не менее 300 см2 B-1 c-1.

Одним из самых распространенных способов получения эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe является жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ) из растворов-расплавов на основе теллура при температурах проведения процесса 460÷520°С. Нижняя граница температурного интервала ограничивается высокой вязкостью раствора-расплава из-за близости к температуре кристаллизации чистого теллура, что приводит к существенным трудностям при удалении остатков жидкой фазы с поверхности выращенного эпитаксиального слоя. Верхняя температурная граница лимитируется возрастанием давления паров ртути над раствором-расплавом с повышением температуры, что приводит к необходимости использования закрытой эпитаксиальной системы либо к применению специальных технических приемов по предотвращению испарения ртути из раствора-расплава и поддержанию постоянства его состава при использовании открытых или квазигерметичных эпитаксиальных систем.

Эпитаксиальные слои CdxHg1-xTe, выращенные из раствора-расплава на основе теллура при температурах 460÷520°С, проявляют р-тип проводимости с концентрацией дырок p=(1,0÷3,0)×1017 см-3 и их подвижностью µp=(150÷200) см2 В-1 с-1 при 77К в зависимости от состава эпитаксиального слоя, что является следствием насыщения материала двукратно заряженными вакансиями ртути, которые являются в CdxHg1-xTe акцепторами. Для достижения электрофизических характеристик, определяющих пригодность эпитаксиальных слоев для изготовления фотодиодов, их подвергают термообработке с целью уменьшения концентрации вакансий ртути, растворенных в материале.

Известен способ получения эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe р-типа проводимости методом ЖФЭ из растворов-расплавов на основе теллура, в котором требуемые электрофизические характеристики слоев достигаются отжигом в насыщенных парах ртути при температурах 300÷350°С (Castro С.А., Tregilgas J.H. Recent developments in HgCdTe and HgZnTe growth from Те solutions. Journal of Crystal Growth, vol. 86, 1988, p.p. 138-145).

В таких условиях отжига атомы ртути диффундируют от поверхности вглубь образца и заполняют избыточные вакансии в катионной подрешетке вплоть до достижения равновесной концентрации вакансий, соответствующей ртутной границе области гомогенности твердого раствора CdxHg1-xTe.

Недостатками способа являются:

- проведение самостоятельных технологических операций выращивания и отжига эпитаксиальных слоев ограничивает производительность способа;

- изменение химического состава приповерхностной области эпитаксиальных слоев в условиях отжига в насыщенных парах ртути;

- ухудшение качества поверхности эпитаксиальных слоев в результате образования на поверхности островков жидкой фазы при взаимодействии CdxHg1-xTe с насыщенным паром чистой ртути.

Известен способ изготовления полупроводникового детектора инфракрасного излучения на основе А2В6, составной частью которого является способ получения эпитаксиального слоя CdxHg1-xTe р-типа проводимости методом ЖФЭ из раствора-расплава на основе теллура с последующим отжигом в вакуумированной кварцевой ампуле при температуре 200°С в течение 20 часов (патент США №5535699, МПК С30В 19/04, опубл. 07.04.1995 г.).

Недостатками способа являются:

- проведение самостоятельных технологических операций выращивания и отжига эпитаксиальных слоев ограничивает производительность способа;

- необходимость прецизионного контроля свободного объема ампулы, в которой проводится отжиг, иначе возможна деградация поверхности образца за счет распада твердого раствора CdxHg1-xTe, вызванного испарением ртути в объем ампулы.

Известен способ получения эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe р-типа проводимости методом ЖФЭ для инфракрасных фотоприемников. Способ включает проведение процессов выращивания эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe на подложку Cd0,96Zn0,04Te из растворов расплавов на основе теллура при температуре 500÷515°С методом ЖФЭ в запаянной кварцевой ампуле и отжига эпитаксиальных слоев в той же ампуле в парах шихты, из которых они были выращены, при температурах 250÷270°С в течение не менее 48 часов (Денисов И.А. Разработка технологии выращивания эпитаксиальных слоев кадмий-ртуть-теллур методом жидкофазной эпитаксии для инфракрасных фотоприемников. Диссертация на соискание степени канд. техн. наук. М. 2007). Способ принят за прототип.

Способ позволяет получить эпитаксиальные слои CdxHg1-xTe составов х=0,19÷0,23 и х=0,27÷0,32 толщиной 10÷20 мкм р-типа проводимости с концентрацией носителей заряда при 77К р=(0,5÷2,0)×1016 см-3. Для отдельных образцов вблизи составов х=0.2 подвижность носителей заряда при 77К достигает значения 600 см2 В-1 с-1.

К существенным недостаткам способа-прототипа можно отнести следующие:

- низкая воспроизводимость высоких значений подвижности носителей заряда при 77К, составляющая не более 15÷20%, что свидетельствует о наличие центров рассеяния, связанных, вероятнее всего, с нейтральными комплексами точечных дефектов, которые не выводятся из материала в предложенных режимах отжига;

- способ не позволяет получить эпитаксиальные слои CdxHg1-xTe с однородным распределением электрофизических характеристик по толщине слоя (в особенности при толщинах более 15 мкм) из-за кинетических ограничений протекания квазихимических реакций образования и аннигиляции точечных дефектов и их комплексов в предложенных режимах отжига;

- проведение независимых процессов выращивания и отжига, а также длительность отжига ограничивают производительность способа.

Техническим результатом изобретения является воспроизводимое получение эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe (х=0,19÷0,33) р-типа проводимости с концентрацией носителей заряда при 77К р=(0,5÷2,0)×1016 см-3, с подвижностью носителей заряда при 77К для составов вблизи х=0.2 более 500 см2 В-1 с-1, а для составов вблизи х=0,3 более 350 см2 В-1 с-1, с однородным распределением электрофизических характеристик по толщине эпитаксиального слоя, а также сокращение времени производства эпитаксиальных слоев.

Технический результат достигается тем, что в способе получения эпитаксиальных слоев CdxHg1-.xTe р-типа проводимости, включающем выращивание эпитаксиального слоя CdxHg1-xTe с химическим составом в интервале от х=0,19 до х=0,33 мольной доли теллурида кадмия методом жидкофазной эпитаксии в запаянной кварцевой ампуле из раствора-расплава на основе теллура при температуре 500÷515°С и отжиг эпитаксиального слоя, согласно изобретению отжиг эпитаксиального слоя проводят в парах шихты, из которой он был выращен, сначала при температуре 350÷370°С в течение 1÷2 часов, а затем при температуре 200÷240°С в течение 20÷24 часов, при этом выращивание эпитаксиального слоя и его отжиг проводят последовательно в одном технологическом процессе.

Сущность изобретения заключается в том, что в заявляемом изобретении при проведении в одном процессе с выращиванием методом ЖФЭ в запаянной кварцевой ампуле in situ отжига эпитаксиального слоя CdxHg1-xTe (х=0,19÷0,33) в парах шихты на основе теллура, из которой эпитаксиальный слой был выращен, сначала при температуре отжига 350÷370°С в течение 1÷2 часов, а затем при температуре 200÷240°С в течение 20÷24 часов, в эпитаксиальном слое CdxHg1-xTe происходит перестройка ансамбля собственных точечных дефектов, сопровождающаяся переходом вакансий ртути из двукратно в однократно заряженное состояние, снижением концентрации вакансий ртути и комплексов с их участием. Заявленные условия отжига обеспечивают воспроизводимое получение эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe р-типа проводимости с концентрацией носителей заряда (0,5÷2,0)×10 см-3 при 77К с высокими значениями подвижности носителей заряда и однородным распределением электрофизических характеристик по толщине эпитаксиального слоя, а проведение отжига в одном процессе с выращиванием обеспечивает сокращение времени производства эпитаксиальных слоев.

Обоснование параметров.

Способ получения эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe р-типа проводимости осуществляют выращиванием эпитаксиального слоя CdxHg1-xTe с составом х=0,19÷0,33 методом ЖФЭ в запаянной кварцевой ампуле из раствора-расплава на основе теллура при температуре 500÷515°С с последующим in situ отжигом эпитаксиального слоя в парах шихты, из которой он был выращен, сначала при температуре 350÷370°С в течение 1÷2 часов, а затем при температуре 200÷240°С в течение 20÷24 часов.

Проведение отжига эпитаксиального слоя CdxHg1-xTe с составом х=0,19÷0,33 при температуре 350÷370°С в течение 1÷2 часов обеспечивает преимущественный переход двукратно заряженных вакансий ртути в однократно заряженное состояние и достижение близких к равновесным значений концентраций вакансий ртути и комплексов с их участием в условиях взаимодействия с парами шихты на основе теллура в указанном интервале температур. Проведение отжига при температуре ниже 350°С требует увеличения времени отжига из-за снижения скорости протекания диффузионных процессов, лимитирующих кинетику достижения равновесия эпитаксиального слоя с паровой фазой, а отжиг при температуре выше 370°С не приводит к заметной смене зарядового состояния вакансий ртути.

Достижение концентрации заряженных вакансий ртути в эпитаксиальном слое CdxHg1-xTe (х=0,19÷0,33), соответствующей р-типу проводимости с требуемой концентрацией носителей заряда р=(0,5÷2,0)×1016 см-3 при 77К, осуществляют отжигом в парах ростовой шихты на основе теллура при температуре 200÷240°С. Длительность отжига лимитируется диффузией избыточного количества вакансий и комплексов с их участием к поверхности эпитаксиального слоя, т.е. кинетикой установления равновесия материала с паровой фазой. При этом предварительный отжиг при 350÷370°С в течение 1÷2 часов позволяет проводить отжиг эпитаксиального слоя толщиной до 20 мкм при 200÷240°С в течение 20÷24 часов (в отсутствие предварительного отжига требуются времена более 48 часов) и воспроизводимо получать в этом режиме эпитаксиальные слои CdxHg1-xTe р-типа проводимости с концентрацией носителей заряда (0,5÷2,0)×1016 см-3 при 77К с высокими значениями подвижности носителей заряда и однородным распределением электрофизических характеристик по толщине эпитаксиального слоя.

Увеличение времени отжига более 24 часов не приводит к изменению измеряемых электрофизических характеристик слоя, что свидетельствует о достижении равновесия с паровой фазой. При времени отжига менее 20 часов в эпитаксиальном слое возможно возникновение неоднородности распределения электрофизических характеристик по толщине слоя. При температуре отжига более 240°С увеличивается вероятность получения материала с концентрацией дырок более чем 2,0×1016 см-3 при 77К.

Пример осуществления способа.

Для получения эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe р-типа проводимости в графитовую кассету, позволяющую проводить процессы ЖФЭ в поворотной системе, помещают монокристаллические подложки Cd0,96Zn0,04Te и заранее синтезированную шихту, состав которой выбирают по известной из литературы поверхности ликвидус диаграммы фазовых равновесий в системе Cd-Hg-Te в области растворов-расплавов, обогащенных Те на пересечении изотермы 515°С с изоконцентратой, соответствующей одному из составов твердого раствора CdxHg1-xTe в интервале концентраций от х=0,19 до х=0,33 мольной доли теллурида кадмия. Графитовую кассету помещают в кварцевую ампулу, которую вакуумируют до остаточного давления менее 1,0×10-5 мм рт.ст. и запаивают.

Подготовленную кварцевую ампулу помещают в горизонтально установленную печь установки ЖФЭ, после чего печь прогревают до температуры гомогенизации, проводят гомогенизацию раствора-расплава при температуре 530÷535°С в течение 1÷2 часов, охлаждают печь до температуры 515°С, поворотом печи из горизонтального в вертикальное положение приводят в контакт подложки с раствором-расплавом, проводят выращивание эпитаксиальных слоев в условиях принудительного охлаждения системы подложки - раствор-расплав со скоростью 0.75÷1.0 град/мин до температуры 500÷505°С (в зависимости от требуемой толщины эпитаксиального слоя) с последующей выдержкой при этой температуре в течение 10÷15 мин, после чего раствор-расплав удаляют с поверхности выросших эпитаксиальных слоев поворотом печи.

По окончании процесса выращивания печь охлаждают со скоростью 0.75÷1.0 град/мин до температуры 350÷370°С и проводят отжиг эпитаксиальных слоев в парах шихты, из которой они были выращены, в течение 1÷2 часов. Далее печь охлаждают с той же скоростью до температуры 200÷240°С и проводят отжиг эпитаксиальных слоев в парах шихты в течение 20÷24 часов. По окончании отжига печь выключают, и она остывает вместе с ампулой до комнатной температуры. После этого ампулу извлекают из печи, извлекают из ампулы подложки с выращенными на их поверхности эпитаксиальными слоями CdxHg1-xTe и проводят измерения состава, толщины и электрофизических характеристик эпитаксиальных слоев.

Состав и толщину эпитаксиальных слоев определяли по спектрам оптического пропускания. Тип проводимости эпитаксиальных слоев, концентрацию носителей заряда в них (КНЗ) и подвижность носителей заряда (µp) определяли методом Ван-дер-Пау при температуре 77К. Однородность распределения электрофизических характеристик по толщине эпитаксиальных слоев определяли методом послойного стравливания.

В таблице 1 приведены результаты осуществления заявляемого способа при различных технологических параметрах (примеры 1-8) в сравнении с результатами способа, принятого за прототип (примеры 9-11) и результаты измерений электрофизических характеристик при послойном стравливании эпитаксиальных слоев (примеры 1, 3-5, 7, 8).

Таким образом, на основании данных таблицы 1 можно сделать вывод, что заявленный способ позволяет воспроизводимо получать эпитаксиальные слои CdxHg1-xTe (х=0,19÷0,33) р-типа проводимости с концентрацией носителей заряда при 77К р=(0,5÷2,0)×1016 см-3, с подвижностью носителей заряда при 77К для составов вблизи x=0.2 более 500 см2 В-1 с-1, a для составов вблизи х=0,3 более 350 см2 В-1 с-1, с однородным распределением электрофизических характеристик по толщине эпитаксиального слоя, а также способ позволяет сократить время производства эпитаксиальных слоев.

Способ получения эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe р-типа проводимости, включающий выращивание эпитаксиального слоя CdxHg1-xTe с химическим составом в интервале от х=0,19 до х=0,33 мольной доли теллурида кадмия методом жидкофазной эпитаксии в запаянной кварцевой ампуле из раствора-расплава на основе теллура при температуре 500÷515°С и отжиг эпитаксиального слоя, отличающийся тем, что отжиг эпитаксиального слоя проводят в парах шихты, из которой он был выращен, сначала при температуре 350÷370°С в течение 1÷2 ч, а затем при температуре 200÷240°С в течение 20÷24 ч, при этом выращивание эпитаксиального слоя и его отжиг проводят последовательно в одном технологическом процессе.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при разработке фотоприемников инфракрасного (ИК) излучения на базе твердых растворов теллурида кадмия и ртути (КРТ).

Изобретение относится к металлооксидным тонким пленкам, используемым при изготовлении полевого транзистора. Жидкость для нанесения покрытия с образованием металлооксидной тонкой пленки включает неорганическое соединение индия, по меньшей мере одно из неорганического соединения магния и неорганического соединения цинка, простой гликолевый эфир и диол, причем диол выбран из по меньшей мере одного из диэтиленгликоля, 1,2-пропандиола и 1,3-бутандиола.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к устройствам для получения многослойных полупроводниковых гетероструктур. Устройство содержит корпус 1 с крышкой 2, контейнер 3 с емкостями для исходных расплавов, снабженный поршнями 4, многосекционный держатель 14 подложек, камеру роста 5 и каналы для подачи и вывода расплавов.

Изобретение относится к технологии производства цветных алмазов, которые могут быть использованы в оптике и для ювелирных целей. Монокристаллический CVD-синтетический алмазный материал содержит множество слоев, которое включает, по меньшей мере, две группы слоев, различающиеся по их составу дефектов и цвету, причем тип дефектов, концентрация дефектов и толщина слоев для каждой из упомянутых, по меньшей мере, двух групп слоев являются такими, что если окрашенный монокристаллический CVD алмазный материал перерабатывают в алмаз с круглой бриллиантовой огранкой, содержащий площадку и калету и имеющий глубину от площадки до калеты более 1 мм, то алмаз с круглой бриллиантовой огранкой имеет однородный цвет при рассматривании невооруженным глазом человека в стандартных окружающих условиях наблюдения в, по меньшей мере, направлении через площадку до калеты; упомянутые, по меньшей мере, две группы слоев содержат первую группу слоев, содержащих легирующую примесь бора в концентрации, достаточной для получения синей окраски, и вторую группу слоев, содержащих более низкую концентрацию легирующей примеси бора, первая группа слоев содержит некомпенсированную легирующую примесь бора в концентрации не менее 0,01 ppm и не более 5,00 ppm, а вторая группа слоев содержит легирующую примесь изолирующего замещающего азота в концентрации не менее 0,01 ppm и не более 5 ppm, причем показатель качества (FM) видимости индивидуальных слоев составляет не более 0,15 и рассчитывается как произведение: FM=толщина (мм) слоев для первой группы слоев × толщина (мм) слоев для второй группы слоев × концентрация (ppm) твердотельного бора в первой группе слоев × глубина (мм) круглой бриллиантовой огранки.

Изобретение относится к способам обработки поверхности алмаза для его использования в электронной технике СВЧ. Способ включает взаимное расположение в одной плоскости исходной поверхности алмаза и металлической поверхности из стали, обеспечение непосредственного контакта упомянутых поверхностей, термическую обработку исходной поверхности алмаза на заданную глубину, обеспечивающую заданную конечную поверхность алмаза, при этом предусматривающую нагрев упомянутых поверхностей в инертной среде, с заданной скоростью, вблизи температуры образования эвтектического сплава железо - углерод, выдержку при этой температуре и естественное охлаждение, при этом металлическую поверхность из стали берут с содержанием углерода 3,9-4,1 мас.

Изобретение относится к технологии обработки монокристаллического CVD-алмазного материала. Описан способ введения NV-центров в монокристаллический CVD-алмазный материал.

Изобретение относится к технологии обработки алмаза и может быть использовано в микроэлектронной технике СВЧ. Способ обработки поверхности алмаза включает взаимное расположение в одной плоскости исходной поверхности алмаза и металлической поверхности из стали, обеспечение непосредственного контакта упомянутых поверхностей, термическую обработку исходной поверхности алмаза на заданную глубину, обеспечивающую заданную конечную поверхность алмаза, при этом предусматривающую нагрев упомянутых поверхностей до температуры образования эвтектического сплава железо - углерод, выдержку при этой температуре и естественное охлаждение, причем металлическую поверхность из стали берут с содержанием углерода 3,9-4,1 мас.
Наверх