Способ пассивации поверхности теллурида кадмия-ртути
METHOD OF PASSIVATING SURFACE OF CADMIUM-MERCURY TELLURIDE

Изобретение относится к многоэлементным и матричным фотоприемникам (МФП) инфракрасного (ИК) диапазона, конкретно к технологии изготовления матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ).
x
1-x
МФП ИК-диапазона применяются в различных областях техники. Они включают в себя МФЧЭ и схему обработки сигнала, состыкованные между собой при помощи индиевых микроконтактов. Для спектральных областей 3-5 и 8-12 мкм МФЧЭ изготавливаются преимущественно на основе полупроводниковых твердых растворов теллурида кадмия-ртути CdHgTe (KPT). Ширина запрещенной зоны КРТ почти линейно зависит от состава X, что позволяет эффективно регулировать граничную длину фотоответа МФЧЭ, и, следовательно, спектральную характеристику МФП.
Для изготовления МФЧЭ применяется КРТ в виде тонкого эпитаксиального слоя, выращенного на подложке, прозрачной в ИК-диапазоне. ИК-излучение падает на тыльную сторону, на котороую нанесено просветляющее покрытие, проходит через прозрачную подложку и поглощается в эпитаксиальном слое КРТ, где происходит генерация электрон-дырочных пар. Фотогенерированные носители заряда разделяются p-n-переходами малоразмерных фотодиодов, являющихся фоточувствительными элементами (ФЧЭ) матриц. Сигнальные фототоки поступают в кремниевый мультиплексор для дальнейшей обработки и формирования изображения. Наиболее широко распространены МФЧЭ на эпитаксиальных слоях КРТ р-типа, в которых при помощи ионного легирования локально формируются n-области фотодиодов. В последнее время также используются слои n-типа.
На качество фотодиодов на основе эпитаксиального КРТ помимо качества самого материала сильно влияет состояние поверхности и границы раздела с подложкой. Это связано с тем, что при обратной подсветке толщина эпитаксиального слоя (базы фотодиода) должна быть не более глубины поглощения ИК-излучения в КРТ (около 10 мкм), а поскольку диффузионная длина неравновесных носителей в КРТ также составляет порядка 10 мкм, на характеристики будет сильно влиять генерация-рекомбинация не только на поверхности слоя, но и на границе раздела с подложкой. Для уменьшения или устранения этого влияния обе границы необходимо подвергнуть обработке, называемой пассивацией, которая является критически важной технологической операцией при изготовлении фотодиодов на КРТ. Ее проведение позволяет предотвратить нежелательный изгиб энергетических зон и инверсию типа проводимости и в итоге обеспечить низкую скорость поверхностной рекомбинации и, следовательно, низкие темновые токи и низкие шумы ФЧЭ, а также временную стабильность параметров.
Способами пассивации полупроводника являются: нанесение диэлектрического покрытия с соответствующим встроенным зарядом для получения состояния плоских зон, пассивация за счет градиента ширины запрещенной зоны (далее - варизонности) на границе раздела, а также химическая обработка поверхности, например, посредством окисления. Для КРТ окисление не применяется, поскольку его собственный окисел нестабилен. Пассивация за счет встроенного заряда в случае КРТ также не приводит к воспроизводимым результатам.
Варизонность, получаемая за счет взаимной диффузии, позволяет обеспечить воспроизводимую и надежную пассивацию КРТ. Как показывают вычисления профилей энергетических зон гетеропереходов между КРТ и высокоомным теллуридом кадмия, глубины взаимной диффузии в несколько десятых микрометра вполне достаточно, чтобы воспрепятствовать генерации-рекомбинации носителей заряда на границе раздела [Common anion heterojunctions, P. Migliorato, A.M. White, Solid State Electronics, Vol. 26, Issue 1, 1983]. Для получения подобной варизонности на границе между КРТ и теллуридом кадмия необходим нагрев до примерно 300°C и более, иначе коэффициент взаимной диффузии слишком мал.
На границе раздела эпитаксиального слоя КРТ с изоструктурной подложкой CdTe (CdZnTe) или альтернативной подложкой с буферным слоем CdTe пассивирующая варизонная область обычно получается сама собой в процессе эпитаксиального выращивания и не рассматривается в данной заявке. Предметом настоящего изобретения является способ пассивации верхней - противоположной от подложки - стороны эпитаксиального слоя КРТ (далее - способ пассивации КРТ).
Предлагаемый способ пассивации КРТ предполагает получение варизонного пассивирующего слоя на поверхности. Он включает в себя две основные последовательные операции: нанесение на поверхность КРТ тонкого (около 1 мкм) покрытия теллурида кадмия и проведение термообработки в атмосфере инертного газа при температуре 300°C, достаточной для взаимной диффузии КРТ и покрытия.
В качестве аналогов предлагаемого способа можно привести два известных способа, которые, однако, содержат либо операцию термообработки КРТ, либо только операцию нанесения теллурида кадмия.
Первым аналогом является пассивация КРТ посредством термообработки в атмосфере паров Cd и Hg в кварцевой ампуле при 250-400ºС [Passivation of HgCdTe p-n-Diode Junction by Compositionally Graded HgCdTe Formed by Annealing in a Cd/Hg Atmosphere, S.Y. An, J.S. Kim, D.W. Seo, S.H. Suh, Journal of Electronic Materials, Vol. 31, №7, 2002]. Как и предлагаемый способ, он включает в себя пассивирующий варизонный слой, образующийся благодаря диффузии, только при отжиге в ампуле, а не в инертной атмосфере. Варизонный слой в способе-аналоге образуется за счет диффузии и испарения атомов ртути и теллура, в результате чего на поверхности КРТ появляется слой переменного состава X, превышающего состав в объеме.
2
Недостатком аналога является то, что пассивирующее покрытие получается целиком варизонным, то есть заметный слой высокоомного теллурида кадмия на поверхности КРТ отсутствует. В связи с этим возникает необходимость нанесения дополнительного диэлектрика, например ZnS или SiO, что усложняет дальнейшую технологию изготовления МФЧЭ и снижает надежность. Другим существенным недостатком является использование запаянных ампул, что серьезно ограничивает возможность применения в промышленных масштабах.
x
1-x
Наиболее близок к предлагаемому способу другой аналог - метод пассивации КРТ посредством нанесения теллурида кадмия молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ) [Molecular beam epitaxy of II-VI compounds: CdHgTe, J.P. Faurie, A. Million, Journal of Crystal Growth, Vol. 54, p. 582-585, 1981]. Согласно этому методу на поверхность КРТ методом МЛЭ напыляется пассивирующая пленка CdTe толщиной около 1 мкм. Температура нанесения CdTe для указанного процесса-прототипа не превышает 150°C, потому что свойства КРТ деградируют при нагреве в вакууме. Недостаточно высокая собственная температура МЛЭ, как и других методов вакуумного осаждения, приводит к тому, что в отличие от предлагаемого способа отсутствует взаимная диффузия и градиент состава на границе КРТ с теллуридом кадмия.
2
2
3
Таким образом, способ-прототип включает в себя нанесение покрытия теллурида кадмия, но не включает получение варизонной области между КРТ и CdTe. Это приводит к тому, что покрытие CdTe в этом случае не выполняет функцию надежной пассивации и принципиально не сильно отличается от неродственных КРТ диэлектриков, таких как SiO, AlO или ZnS.
Целью настоящего изобретения является получение покрытия КРТ, которое одновременно обеспечивает эффективную пассивацию поверхности и обладает высокими диэлектрическими свойствами, и, кроме того, пригодно для промышленного применения.
Поставленная цель достигается тем, что по сравнению с известным способом пассивации КРТ, включающим нанесение на поверхность КРТ тонкого (около 1 мкм) эпитаксиального слоя теллурида кадмия, в заявляемом способе дополнительно проводится термообработка в атмосфере инертного газа в квазизамкнутом объеме при условиях, препятствующих деградации свойств КРТ, и при температуре, достаточно высокой для взаимной диффузии КРТ и теллурида кадмия, что приводит к появлению варизонной области, обеспечивающей эффективную пассивацию границы раздела.
Эпитаксиальное покрытие теллурида кадмия толщиной 1 мкм обладает высокими диэлектрическими свойствами и поэтому может применяться при изготовлении МФЧЭ на КРТ любого состава без нанесения дополнительных диэлектриков. Оно обеспечивает получение величин сопротивлений в обратной ветви диодов порядка гигаом. Фотопроводимость CdTe в видимой части спектра не оказывает шунтирующего влияния, поскольку к ФЧЭ видимый свет не может проникнуть ни со стороны подложки, ни со стороны мультиплексора, не говоря уже о непрозрачном корпусе изделия МФПУ. Кроме того, такое покрытие надежно, поскольку обладает абсолютной адгезией и образует одно целое с КРТ.
Термообработка в атмосфере инертного газа проводится при условиях, позволяющих получить варизонную область на границе КРТ и теллурида кадмия за счет взаимной диффузии, и в то же время сохранить свойства самого КРТ. Благодаря варизонности образуется гетеропереход с энергетическим профилем, блокирующим процессы генерации-рекомбинации на границе раздела [Common anion heterojunctions, P. Migliorato, A.M. White, Solid State Electronics, Vol. 26, Issue 1, 1983], что обеспечивает наиболее эффективную пассивацию поверхности КРТ.
Пригодность для промышленного применения обусловлена тем, что предлагаемый способ является воспроизводимым и технологичным, поскольку не содержит трудоемких и нестандартных либо сложных операций. Единственной ручной операцией является химическое травление КРТ перед нанесением покрытия CdTe. Воспроизводимость способа связана с получением на границе раздела варизонного слоя с гетеропероходом, блокирующим генерацию-рекомбинацию.
Примером реализации предлагаемого способа является процесс, состоящий из нанесения на поверхность КРТ эпитаксиального слоя теллурида кадмия толщиной 1 мкм модифицированным методом «горячей стенки» [Способ получения тонких пленок теллурида кадмия, Патент на изобретение №2298251, С.В. Головин, И.Д. Бурлаков] и дальнейшей термообработки в аргоне при давлении 2 атм и температуре 280°C в течение 10 ч для получения варизонности.