Исследование процессов формирования инфракрасного фотоприемника на основе CdHgTe в монолитном исполнении
УДК 548.25: 621.383.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ИНФРАКРАСНОГО ФОТОПРИЕМНИКА НА ОСНОВЕ CdHgTe В МОНОЛИТНОМ ИСПОЛНЕНИИ
© 2009 г.
М. В. Якушев*, канд. физ.-мат. наук; В. В. Васильев*, канд. физ.-мат. наук; Е. В. Дегтярев**, канд. техн. наук; С. А. Дворецкий*, канд. физ.-мат. наук; А. И. Козлов*, канд. тех. наук; А. Р. Новоселов*; Ю. Г. Сидоров*, доктор физ.-мат. наук; Б. И. Фомин*, канд. тех. наук; А. Л. Асеев*, академик РАН
** Институт физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск
** Федеральное государственное учреждение “22 ЦНИИИ Минобороны России”, ** г. Мытищи Московской обл.
** E-mail: yakushev@isp.nsc.ru
Обсуждаются результаты исследований процессов и их параметры при формировании монолитных интегрированных инфракрасных матриц на основе теллурида кадмия и ртути (КРТ). Проведено изучение процессов для выращивания гетероэпитаксиальных слоев (ГЭС) КРТ методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) в ячейках кремниевого мультиплексора, формирования n–p-перехода и контактных соединений. Для селективного выращивания ГЭС КРТ МЛЭ определены режимы подготовки кремниевой поверхности в окнах диэлектрика размерами от 30×30 до 100×100 мкм. Выращены селективные слои C��dH�g�T��e��(8� �м�к�м��)�/�C�d�T�e��(5�–�7� �м�к��м�)�/�Z�n�T��e��(�0��,��0���2�� �м���к���м���)��н���а���S���i����(���3���1���0��)��.��С���� и���с�пользованием ионной имплантации бора в селективные слои p-типа сформированы n–p-переходы. Измерения показали, что параметр R0A составляет 1,25×105 Ом см2 для спектрального диапазоне 3–5 мкм. Изготовлена монолитная линейка формата 1×32 на основе ГЭС КРТ МЛЭ при выращивании в ячейках кремниевого мультиплексора.
Ключевые слова: CdHgTe, молекулярно-лучевая эпитаксия, инфракрасный фотоприемник монолитны.
Коды OCIS: 160.6840, 230.1980, 230.3990, 230.4170. Поступила в редакцию 18.03.2009.
Введение
Основным методом при проведении разработок и промышленного производства инфракрасных (ИК) фотоприемников (ФП), охлаждаемых до криогенных температур, является технология гибридной сборки. В данной технологии матрица фоточувствительных элементов (ФЧЭ) заданного формата и кремниевая интегральная схема считывания и предварительной обработки сигнала (мультиплексор) соединяются посредством индиевых столбов. Формат гибридных ИК ФП практически неограничен в случае формирования ФЧЭ на основе гетероэпитаксиальных структур (ГЭС) теллурида кадмия и ртути (КРТ), выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на подложках из кремния. Однако качество таких ГЭС КРТ МЛЭ позволяет получить ИК ФП больших форматов только для ближнего диапазона 1–3 мкм. Кроме того, процесс
гибридизации огромного количества элементов требует большого искусства и пока не доступен для массового производства. Большая востребованность ИК ФП для спектральных диапазонов “окон прозрачности” атмосферы 3–5 и 8–12 мкм позволила разработать и организовать на основе КРТ производство линейчатых и матричных ИК ФП второго поколения с форматами 288×4 (480×6) и 320×256(240) соответственно. Для таких ИК ФП ФЧЭ изготовлены на основе ГЭС КРТ МЛЭ или на эпитаксиальных слоях, полученных другими методами на подложках из CdZnTe или GaAs, для которых формат ограничен из-за большого различия коэффициентов термического расширения между используемыми подложками и кремнием (4,8×10–10 K–1 и 2,3×10–10 K–1 – для CdZnTe и Si соответственно).
Технология, в которой ФЧЭ на основе КРТ монолитно интегрируется с кремниевым мультиплексором, позволит решить проблемы ограниче-
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
55
ния на формат ИК ФП, одновременно повышая его механические свойства.
Повысить механические свойства ИК ФП можно при использовании для их укрепления компаунды. Это применяется в HDVIPTM-технологии [1], “l�o��op�h�o�l�e�-��т��е��х��н���о��л���о��г��и��и��”�[�2�]�и�л�и��“�м�о�н��о�литизации” гибридной сборки ФЧЭ и мультиплексора. Однако предельные механические свойства ИК ФП могут быть достигнуты при разработке технологии монолитного ИК ФП, в которой фоточувствительные элементы КРТ выращиваются в ячейках кремниевой схемы считывания.
Нами проведены разработки процессов выращивания ГЭС КРТ МЛЭ на подложках из GaAs и кремния ориентацией (310) [3].
В статье представлены результаты исследования процессов и определения их параметров при разработке монолитного ИК ФП на кремниевом мультиплексоре, сделанного на пластине с ориентацией рабочей поверхности по плоскости (310).
Результаты и обсуждения
На рис. 1 приведена схема ФЧЭ монолитного ИК ФП. Из нее видно, что кремниевый мультиплексор – интегральная микросхема считывания сигнала (ИМСС) – должен быть изготовлен на подложке с ориентацией поверхности, обеспечивающей бездефектный рост КРТ (в нашем случае это Si(310)). После изготовления мультиплексора необходимо подготовить поверхность кремния, свободную от элементов схемы мультиплексора, на которой необходимо последовательно вырастить буферный слой из CdZnTe и слой КРТ. В этом случае в окнах мультиплексора будет происходить рост монокристаллического материала, в то время как на поверхности защитного оксида материал будет расти в виде поликристалла. Затем в местах, отведенных под пикселы матричного
n p-CdHgTe
In SiO2 ИМСС
CdTe Si (310)
SiO2 In ИМСС
Рис. 1. Схема ФЧЭ монолитного матричного ФП.
ФП, необходимо сформировать p–n-переходы. После этого нужно удалить поликристаллический осадок, нанести защитный диэлектрик и напылить контактные дорожки от фоточувствительных элементов к элементам мультиплексора.
Для освоения такого сложного маршрута были проведены исследования отдельных процессов для установления экспериментальных условий проведения технологических операций и определения их критических значений, не оказывающих деградирующего влияния на параметры мультиплексора, качество материала и параметры p–n-перехода.
Влияние отжига в вакууме на параметры матричного мультиплексора
Исследование влияния высокотемпературного отжига мультиплексора в вакууме для подготовки поверхности кремния к эпитаксиальному росту проведено с использованием матричного мультиплексора марки “МХ-4” форматом 128×128. Параметры мультиплексора соответствовали требованиям функционирования ФЧЭ ФП. Технология изготовления мультиплексора включала проведение следующих операций:
– р-канал на исходной подложке КЭФ-7,5 (100),
– n-канал в кармане 4,5 мкм, расчетное зна чение порогового напряжения +0,868 В;
– полевой окисел – 1 мкм, – подзатворный диэлектрик – 50 нм хлорного окисла, – 2 poly, poly затворы легированы фосфором; – стоки: р-канал 1,29 мкм, n-канал 1,38 мкм; – завершение схемы: алюминий + 1% кремния, моносилановый окисел, окна в окисле, водород. Образцы, вырезанные из одной пластины с мультиплексором, были отожжены в вакууме при различных температурах. Прогрев до температуры 520 °С включительно не привел к изменению внешнего вида кристалла и значений пороговых напряжений и напряжений пробоя транзисторов схемы. Нагрев до 580 °С привел к разрушению металлизации за счет образования эвтектики алюминия с кремнием и снижению значения пороговых напряжений и напряжений пробоя n-канальных транзисторов до нуля. При этом измеряемые характеристики p-канальных транзисторов не изменили своих значений. Нагрев до 640 °С привел к тому, что p-канальный транзистор перешел в состояние мягкого пробоя, но продолжал работать.
56 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
Влияние отжига в вакууме на пороговые напряжения Uпор и напряжения пробоя Uпроб транзисторов мультиплексора МХ-4
Т, °С
20 460 520 580 640
n-канал
Uпор, В +0,65
Uпроб, В +15
+0,7
+15
+0,7
+15
00
00
p-канал
Uпор, В –0,8
Uпроб, В –15
–0,85
–15
–0,9
–15
–0,8
–15
–0,7
–7
Примечания
Внешний вид – без изменений Внешний вид – без изменений Внешний вид – металлизация разрушена p-канал – мягкий пробой, но транзистор работает нормально
В таблице представлены результаты измерений пороговых напряжений и напряжений пробоя для n-канальных и p-канальных транзисторов после каждого отжига. Видно, что p-канальный транзистор сохраняет свои характеристики при отжиге до температуры 580 °С, а n-канальный – при отжиге до 520 °С.
Определение минимальной температуры предэпитаксиального отжига
Наиболее перспективной технологией для создания мультиплексоров большого формата является КМОП-технология. Созданные по такой технологии приборы содержат как p-канальные, так и n-канальные транзисторы. Ранее было определено, что максимальная температура, при которой не происходит изменений параметров транзисторов обоих типов, составляет 520 °С. Следовательно, при создании монолитного ФП температура предэпитаксиального отжига должна быть ниже 520 °С. Мы использовали предэпитаксильную подготовку, в результате которой получалась поверхность, пассивированная монослоем атомарного водорода [4]. Стандартной процедурой предэпитаксиального отжига подложек из Si для эпитаксиального роста соединений A2B6 является отжиг в парах As4 [5]. В результате такого отжига поверхность кремния освобождается от водорода и пассивируется мышьяком. Температура десорбции водорода с поверхности кремния по разным оценкам составляет 550–600 °С [6, 7]. Однако в присутствии паров As, энергия связи которого с кремнием выше чем энергия связи �S�i–�H��,����з��а��мещение H на As может происходить при более низких температурах.
Нами были проведены эксперименты по определению минимально возможной температуры предэпитаксиального отжига. Для этого были выращены гетероструктуры CdTe/ZnTe/Si(310),
в процессе роста которых менялась только температура предэпитаксиального отжига. Было установлено, что минимально возможной температурой предэпитаксиального отжига является температура 450 °С. На рис. 2а представлена дифракционная картина от поверхности слоя ZnTe толщиной 20 нм, выращенного на подложке Si(310), отожженной в парах As4 при темпе ратуре 450 °С. Картина образована вертикаль ными, резкими дифракционными рефлексами,
(а)
(б)
Рис. 2. Дифракционные картины в азимуте [–130] от поверхности гетероструктуры CdTe/ ZnTe/Si(310), выращенной на поверхности Si(310) после предэпитаксиального отжига в парах As4 при температуре 450 °С. а – ZnTe (20 нм), б – CdTe (5 мкм).
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
57
что говорит о том, что выросший ZnTe имеет монокристаллическую структуру. Некоторое уширение рефлексов связано с тем, что на начальной стадии рост Z��n�T�e���н��а���S���i��п��р���о����х����о��д��и��т���п���о���т��р��е��х��м��е�р�ному механизму роста. В результате тонкие слои теллурида цинка имеют сильно развитый микрорельеф. При дальнейшем росте CdTe на ZnTe/ Si(�3�1�0�)��п�о�в�е�р�х�н�о�с�т�ь�г�е�т�е�р�о�с�т�р�у�к�т�у�р��ы��в�ы�г�л�а�ж��и�вается и получаются дифракционные картины, подобные представленной на рис. 2б. Увеличение температуры предэпитаксиального отжига выше 450 °С не приводит к изменению дифракционных картин как от поверхности �Z�n�T�e��,�т�а�к���и����о��т���п���о��в��е��р�х��ности C��d�T�e��.�С���н��и��ж����е��н��и��е��т��е��м���п��е��р��а��т��у��р�ы�п��р�е�д�эп��и�т�а�к�сиального отжига ниже 450 °С приводит к тому, что на дифракционных картинах от поверхности ZnTe рефлексы начинают стягиваться в точки, возрастает диффузионный фон и появляются поликристаллические дуги.
(а) (б)
Селективный рост
Для изучения механизмов роста слоев ZnTe, CdTe,���C��d��Hg��T�e�в��о�к�н�а�х�,��в�с�к�р�ы�т�ы��х��в�д�и�э�л��ек��т�р�и�ке, был изготовлен специальный фотошаблон, состоящий из чередующихся в определенной последовательности квадратных окон разного размера – от 30 до 100 мкм. В центре шаблона для проведения эллипсометрических и дифракционных измерений было создано специальное окно размером 75×15 мм. С использованием данного шаблона в слое SiO2 толщиной 0,7 мкм, нанесенном на поверхность Si(310), были вскрыты окна. Затем поверхность кремния в окнах была окислена в горячей азотной кислоте. Толщина окисла в окнах составляла 2–3 нм. Перед загрузкой в вакуумную систему образцы погружались на 30 с в 1%-ный водный раствор плавиковой кислоты. Такая процедура позволяла удалить тонкий окисел в окнах и оставляла практически неизменным толстый окисел маски. Затем образцы сушились на центрифуге и загружались в установку МЛЭ. Далее на селективной подложке по стандартной методике [8] на установке “Обь-М” [9] были выращены гетероструктуры КРТ, состоящие из слоев ZnTe, CdTe и CdxHg1–xTe�т�о�л�щ��и�н�о�й��0�,�0�2�,��6��и�7�� м��к�м��с�о�о�т�в�е�т�ственно. Мольная доля кадмия в КРТ в процессе роста поддерживалась на уровне х = 0,3.
На рис. 3 представлены фотографии поверхности CdTe и CdxHg1–xTe, выращенных в окнах размером 80×80 мкм. Внешний вид поверхности CdTe и CdxHg1–xTe, выращенных в окнах другого размера, не имел принципиальных отличий.
Рис. 3. Вид поверхности слоев CdTe (а) и CdHgTe (б), выращенных в окнах размером 80×80 мкм, вскрытых в SiO2, нанесенном на поверхность Si(310). Белая рамка на рисунке (б) показывает границы окна.
Данные фотографии совместно с дифракционными картинами, которые наблюдались в проц ессе роста этих гетероструктур, свидетельствуют о том, что в окнах, вскрытых в диэлектрике, вырос монокристаллический КРТ. Из представленных рисунков также видно, что материал, выросший по сторонам окна, имеет повышенную высоту рельефа в буферных слоях и, как следствие этого, высокую плотность V-дефектов в слоях КРТ. Ширина полосы с высокой плотностью V-дефектов для гетероструктуры с толщиной слоев 5,5 мкм для CdTe и 7 мкм для CdHgTe составляет от 5 до 15 мкм для разных сторон окна. Ширина дефектной полосы не за-
58 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
висит от размеров окна, а зависит только от толщины выращенных слоев – чем слои толще, тем полоса шире.
Полученные результаты позволяют сделать определенные выводы. Во-первых, мы можем получать структуры для монолитных ФП без V-дефектов в области, отведенной под фотодиод. Во-вторых, размер окна, отведенного под фотодиод, должен быть больше чем 30×30 мкм. В окне 30×30 мкм бездефектная область, при толщине слоев 6 мкм для CdTe и 7 мкм для CdHgTe, имеет размер 9×18 мкм, что явно не достаточно для создания p–n-переходов и контакт ных дорожек.
Получение p–n-переходов
Окно размером 75×15 мм в центре пластины было необходимо нам не только для контроля процессов роста КРТ, но и для измерения электрофизических параметров выращенного материала. Из материала, выращенного в окне размером 75×15 мм, были выколоты образцы произвольного размера. На этих образцах были измерены толщина и состав слоев, а также концентрация и подвижность основных носителей заряда. Мольная доля теллурида кадмия в образцах составляла х = 0,28–0,30. Образцы имели после роста n-тип проводимости и следующие электрофизические параметры (при 77 К): концентрация электронов – (1–2)×1015 см–3, подвижность (1,0–1,5)×104 см2 В–1 с–1. Образцы были переведены в р-тип посредством отжига в инертной атмосфере при 225 °С. После отжига концентрация дырок составляла (5–10)×1015 см–3, подвижность – 200–400 см2 В–1 с–1. Установка МЛЭ “Обь-М” позволяет получать слои КРТ с высокой степенью однородности по всем параметрам на подложках диаметром 75 мм [10]. Поэтому мы считаем, что толщина и состав слоев, а также концентрация и подвижность основных носителей заряда для КРТ, выращенного в окнах размером до 100 мкм, не отличаются от параметров КРТ, выращенного в окне размером 75×15 мм.
Селективные гетероструктуры р-типа прошли следующие технологические операции:
1) ионное легирование бором для создания p–n-переходов; размер окна для легирования составлял 10×10 мкм;
2) удаление в бромном травителе поликристаллического осадка вокруг монокристаллического КРТ, выращенного в окнах;
3) нанесение диэлектрика, 4) вскрытие окон в диэлектрике,
Рис. 4. Внешний вид диодных меза-структур. Изображение получено в сканирующем элект ронном микроскопе.
5) напыление металлических контактов; контактные дорожки создавались напылением In с использованием взрывной фотолитографии.
В результате проведенных работ были получены диодные меза-структуры, внешний вид которых показан на рис. 4. Диоды были изготовлены из КРТ с составом х = 0,282, что соответствует λ1/2(77 К) = 5,76 мкм. Для этих меза-диодов были измерены вольт-амперные характеристики (ВАХ) и дифференциальные сопротивления. Измерения проводились на компьютеризированном лабораторном стенде при температуре жидкого азота (77 К). Датчиком температуры служило угольное сопротивление. Угловая апертура данного стенда составляла 25°.
При снятии ВАХ с компьютера на p–n-переход подавалось медленно меняющееся напряжение. Ток и падение напряжения на p–n-переходе измерялись через плату сопряжения в компьютере. Плата сопряжения состояла из двух аналогоцифровых преобразователей, обеспечивающих оцифровку напряжения и тока, и одного цифроаналогового преобразователя, обеспечивающего медленно меняющееся напряжение.
После охлаждения до температуры 77 К были сняты ВАХ p–n-переходов без засветки и при фоновой засветке (300 К).
На рис. 5а приведены усредненные ВАХ для меза-структур разного размера. Усреднение для размера 100×100 мкм проводилось по 4 мезадиодам, для размера 50×50 – по 5 меза-диодам, а для размера 80×80 – по 2� м�е�з�а�-�д�и�о�д��а�м�.�И��з�р��и�сунка видно, что темновые токи для меза-диодов
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
59
Ток, А 10–11
Дифференциальное сопротивление, Ом
8 (а)
4
более точного определения зависимости тока при
засветке от размеров меза-диода и определения
значения R0A необходимо значительно большее число измерений.
02 3 1
– 4
1
– 8 – 0,8
1010
(б)
3 2
– 0,4
0
Напряжение смещения, В
1
108 3 1
106
104 – 0,8
– 0,4 0 0,4
Напряжение смещения, В
Рис. 5. ВАХ (а) и дифференциальные сопротивления (б) меза-диодов разной размерности: 1 – 50×50, 2 – 80×80, 3 – 100×100 мкм. Длин-
новолновая граница фоточувствительности
λ1/2(77 К) = 5,76 мкм.
всех размеров примерно одинаковые, а токи при засветке возрастают при увеличении латеральных размеров. Это может означать, что длина диффузии неосновных носителей заряда больше 20 мкм. На рис. 5б представлены усредненные дифференциальные сопротивления для мезадиодов размером 100×100 и 50×50 мкм. В отличие от токов при засветке для дифференциальных сопротивлений не наблюдается зависимости от латеральных размеров меза-структур. Значение дифференциального сопротивления при нулевом смещении составляет порядка 5×109 Ом. Так как мы предполагаем, что длина диффузии неосновных носителей заряда больше 20 �м�к��м�,�т�о��м�о�ж��н�о��с�ч�и�т�а�т�ь�,�ч�т�о��о�п�т�и�ч��е�ск��а�я�п��л�о�щадь p–n-перехода, как минимум, составляет 50×50 мкм2. Исходя из этого значение R0A для наших меза-диодов составляет 1,25×105 Ом см2, что сопоставимо с предельными значениями R0A для диодов с λ1/2(77 К) �=� �5�,�7�6� м��к�м��[�1�1�]�.�П��р�и�в�е�д�е�н��ные значения являются приближенными и для
Фотоприемный кристалл 1×32 для отработки технологии изготовления
монолитного фотоприемника на основе КРТ
Нами разработан тестовый мультиплексор “КРТ-1” формата 1×32 элемента. Мультиплексор предназначен для отработки совмещенной технологии изготовления монолитного однокристального КРТ-ФП. Разработанный кристалл содержит также полный набор тестовых элементов для исследования качества операций совмещенного технологического маршрута и характеристик компонентов схемы. Размеры кристалла – 3,05×7,40 мм (при ширине скрайберной дорожки 200 мкм).
Тестовый кристалл “КРТ-1” был изготовлен по n-МОП-технологии с поликремниевыми затворами и с металлической разводкой на пластине кремния КДБ-10 с ориентацией (310). Непосредственно перед загрузкой в вакуумную камеру пластины с мультиплексором “КРТ-1” проходили следующую предэпитаксиальную подготовку:
1) удаление органических загрязнений в кислородной плазме в течение 2 мин (обработка проводилась в емкостном реакторе на заземленном электроде, давление кислорода в реакторе составляло 1 мм рт. ст., возбуждение плазмы осуществлялось переменным полем с частотой 13,56 МГц и мощностью 100 Вт);
2) травление в 1%-ном водном растворе HF в течение 1 мин,
3) сушку на центрифуге в течение 25 с. На подготовленной таким образом пластине, содержащей тестовые кристаллы “КРТ-1”, последовательно были выращены слои теллурида кадмия и КРТ. Параметры роста были стандартными, за исключением температуры предэпи таксиального отжига, которая составляла 500 °С. На рис. 6 представлены общий вид мультиплексора с выращенными слоями CdTe и CdxHg1–xTe и вид отдельного окна для КРТ-диода. Сравнивая изображения на рис. 3б и 6б, можно увидеть, что плотность поверхностных макродефектов в случае роста на пластине, содержащей тестовые кристаллы, существенно выше, чем в случае роста в окнах, вскрытых в SiO2, нанесенном на поверхность Si(310). По нашему мнению, для
60 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
(а)
(б)
Рис. 6. Вид мультиплексора “КРТ-1” с выращенными слоями CdTe и CdxHg1–xTe. а – общий вид, б – вид отдельного окна для КРТ-диода. Размер окна 100×100 мкм.
снижения плотности поверхностных макродефектов в окнах необходимо оптимизировать технологию изготовления мультиплексора и процедуру предэпитаксиальной подготовки.
Заключение Разработаны процессы предэпитакиальной подготовки поверхности кремния с изготовленной системой считывания сигнала. Показано, что максимальная температура, при которой параметры схемы считывания остаются неизменными, составляет 520 °С. Установлено, что сни- жение температуры предэпитаксиального отжига до 450 °С не приводит к значительному ухудшению структурного совершенства слоев КРТ. Проведены исследования роста слоев CdTe и CdHgTe в окнах размерами от 30×30 до 100×100 мкм, вскрытых в SiO2, нанесенном на поверхность S��i(��3��1��0��)��.��П���о�к�а�з�а�н�а��п�р�и�н�ц�и��п�и�а�л�ь�-
ная возможность выращивания монодоменных монокристаллических слоев CdTe и CdHgTe без V-дефектов в окнах, вскрытых в SiO2.
Из селективных гетероструктур HgCdTe/Si, по меза-технологии с формированием индиевых контактов, изготовлены тестовые ФЧЭ и измерены их ВАХ. Значение R0A для меза-диодов составляет 1,25×105 Ом см2. Показана возможность получения индиевых спусков для меза-структур высотой до 15 мкм.
Изготовлен тестовый n-канальный мультиплексор формата 1×32 элемента на пластине Si(310) марки КДБ-10, предназначенный для отработки совмещенной технологии изготовления монолитного однокристального КРТ-ФП. На пластине S��i(�3�1�0��),�с�о�д�е�р�ж��а�щ��е�й�т�е�с�т�о�в�ы�й��м�у�л��ь�т�и�плексор, выращены слои КРТ.
Полученные результаты показывают принципиальную возможность создания монолитного матричного приемника ИК излучения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kinch M.A., Chandra D., Schaake H.F., Shih H.-D., Aqariden F. Arsenic doped mid-wevelength infrared HgCdTe photodiodes // J. Electr. Mater. 2004. V. 33. № 6. P. 590–595.
2. Beker I.M., Maxey C.D. Summary of HgCdTe array technology in the U.K. // J. Electr. Mater. 2001. V. 30. № 6. P. 682–689.
3. Сидоров Ю.Г., Дворецкий С.А., Варавин В.С., Михайлов Н.Н., Якушев М.В., Сабинина И.В. Молекулярно-лучевая эпитаксия твердых раст воров кадмий-ртуть-теллур на “альтернативных” подложках // ФТП. 2001. Т. 35. № 9. С. 1092–1101.
4. Fenner D.B., Biegelsen D.K., Bringans R.D. Silicon surface passivation by hydrogen termination: A comparative study of preparation methods // J. Appl. Phys. 1989. V. 66. P. 419–424.
5. Hall D.J., Buckle L., Gordon N.T., Giess J., Hails J.E., Cairns J.W., Lawrence R.M., Graham A., Hall R.S., Maitby C., Ashley T. High-performance long-wavelength HgCdTe infrared detectors grown on silicon substrates // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. № 11. P. 2113–2115.
6. Yao H., Woollam J.A., Alterovitz S.A. Spectroscopic ellipsometry studies of HF treated Si (100) surfaces // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 62. № 25. P. 3324–3326.
7. Yoshimura M., Ono I., Ueda K. Initial stages of Ni reaction on Si(100) and H-Terminated Si(100) surfaces // Appl. Surf. Science. 1998. V. 130–132. P. 276–281.
8. Якушев�М����.�В������.,��� �Б�а�б�е�н�к�о���А�����.��А����.�,�����В�����а����р���а����в���и����н�������В�������.��С�����.��,������В������а�����с��и�льев �В��.В���.�,���М����и��р��о���н����о��в��а�����Л����.��В�����.��,�����П�������р����и�����д���а����ч���и����н������Д������.��Н��������.�,�����Р������е����м�����е��с�ник В.Г., Сабинина И.В., Сидоров Ю.Г., Сусляков А.О. С��т�р�у�к�т�у�р�н�ы��е�и�����э���л���е����к���т���р���о���ф����и����з���и���ч���е���с��к��и��е�����с��в���о��й��ства�г��е��т��е��р��о��э��п��и��т��а��к��с��и��а�л�ь�н��ы�х���п���л���е��н��о�к�� H�g�C��d�T�e�,�в�ы��-
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
61
ращенных методом МЛЭ на подложках Si(310) // Прикладная физика. 2007. № 4. С. 108–115.
9. Белоконев В.М., Крайлюк А.Д., Дегтярев Е.В., Варавин В.С., Васильев В.В., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Придачин Д.Н., Сидоров Ю.Г., Якушев М.В., Асеев А.Л. Статус молекулярно-лучевой эпитаксии кадмий–ртуть–теллур в тепловизионной технике // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47. № 9. С. 7–19.
10. Сидоров Ю.Г., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Якушев М.В., Варавин В.С., Анциферов А.П. Молекулярно-лучевая эпитаксия узкозонных соединений CdxHg1–xTe�. �О�б�о�р�у�д��о�в�а�н�и�е��и��т�ех��н�о�логия // Оптический журнал. 2000 Т. 67. № 1. С. 39–45.
11. Рогальский А. Инфракрасные детекторы. Пер. с англ. / Под ред. Войцеховского А.В. Новосибирск: Наука, 2003. 636 c.
62 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ИНФРАКРАСНОГО ФОТОПРИЕМНИКА НА ОСНОВЕ CdHgTe В МОНОЛИТНОМ ИСПОЛНЕНИИ
© 2009 г.
М. В. Якушев*, канд. физ.-мат. наук; В. В. Васильев*, канд. физ.-мат. наук; Е. В. Дегтярев**, канд. техн. наук; С. А. Дворецкий*, канд. физ.-мат. наук; А. И. Козлов*, канд. тех. наук; А. Р. Новоселов*; Ю. Г. Сидоров*, доктор физ.-мат. наук; Б. И. Фомин*, канд. тех. наук; А. Л. Асеев*, академик РАН
** Институт физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск
** Федеральное государственное учреждение “22 ЦНИИИ Минобороны России”, ** г. Мытищи Московской обл.
** E-mail: yakushev@isp.nsc.ru
Обсуждаются результаты исследований процессов и их параметры при формировании монолитных интегрированных инфракрасных матриц на основе теллурида кадмия и ртути (КРТ). Проведено изучение процессов для выращивания гетероэпитаксиальных слоев (ГЭС) КРТ методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) в ячейках кремниевого мультиплексора, формирования n–p-перехода и контактных соединений. Для селективного выращивания ГЭС КРТ МЛЭ определены режимы подготовки кремниевой поверхности в окнах диэлектрика размерами от 30×30 до 100×100 мкм. Выращены селективные слои C��dH�g�T��e��(8� �м�к�м��)�/�C�d�T�e��(5�–�7� �м�к��м�)�/�Z�n�T��e��(�0��,��0���2�� �м���к���м���)��н���а���S���i����(���3���1���0��)��.��С���� и���с�пользованием ионной имплантации бора в селективные слои p-типа сформированы n–p-переходы. Измерения показали, что параметр R0A составляет 1,25×105 Ом см2 для спектрального диапазоне 3–5 мкм. Изготовлена монолитная линейка формата 1×32 на основе ГЭС КРТ МЛЭ при выращивании в ячейках кремниевого мультиплексора.
Ключевые слова: CdHgTe, молекулярно-лучевая эпитаксия, инфракрасный фотоприемник монолитны.
Коды OCIS: 160.6840, 230.1980, 230.3990, 230.4170. Поступила в редакцию 18.03.2009.
Введение
Основным методом при проведении разработок и промышленного производства инфракрасных (ИК) фотоприемников (ФП), охлаждаемых до криогенных температур, является технология гибридной сборки. В данной технологии матрица фоточувствительных элементов (ФЧЭ) заданного формата и кремниевая интегральная схема считывания и предварительной обработки сигнала (мультиплексор) соединяются посредством индиевых столбов. Формат гибридных ИК ФП практически неограничен в случае формирования ФЧЭ на основе гетероэпитаксиальных структур (ГЭС) теллурида кадмия и ртути (КРТ), выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на подложках из кремния. Однако качество таких ГЭС КРТ МЛЭ позволяет получить ИК ФП больших форматов только для ближнего диапазона 1–3 мкм. Кроме того, процесс
гибридизации огромного количества элементов требует большого искусства и пока не доступен для массового производства. Большая востребованность ИК ФП для спектральных диапазонов “окон прозрачности” атмосферы 3–5 и 8–12 мкм позволила разработать и организовать на основе КРТ производство линейчатых и матричных ИК ФП второго поколения с форматами 288×4 (480×6) и 320×256(240) соответственно. Для таких ИК ФП ФЧЭ изготовлены на основе ГЭС КРТ МЛЭ или на эпитаксиальных слоях, полученных другими методами на подложках из CdZnTe или GaAs, для которых формат ограничен из-за большого различия коэффициентов термического расширения между используемыми подложками и кремнием (4,8×10–10 K–1 и 2,3×10–10 K–1 – для CdZnTe и Si соответственно).
Технология, в которой ФЧЭ на основе КРТ монолитно интегрируется с кремниевым мультиплексором, позволит решить проблемы ограниче-
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
55
ния на формат ИК ФП, одновременно повышая его механические свойства.
Повысить механические свойства ИК ФП можно при использовании для их укрепления компаунды. Это применяется в HDVIPTM-технологии [1], “l�o��op�h�o�l�e�-��т��е��х��н���о��л���о��г��и��и��”�[�2�]�и�л�и��“�м�о�н��о�литизации” гибридной сборки ФЧЭ и мультиплексора. Однако предельные механические свойства ИК ФП могут быть достигнуты при разработке технологии монолитного ИК ФП, в которой фоточувствительные элементы КРТ выращиваются в ячейках кремниевой схемы считывания.
Нами проведены разработки процессов выращивания ГЭС КРТ МЛЭ на подложках из GaAs и кремния ориентацией (310) [3].
В статье представлены результаты исследования процессов и определения их параметров при разработке монолитного ИК ФП на кремниевом мультиплексоре, сделанного на пластине с ориентацией рабочей поверхности по плоскости (310).
Результаты и обсуждения
На рис. 1 приведена схема ФЧЭ монолитного ИК ФП. Из нее видно, что кремниевый мультиплексор – интегральная микросхема считывания сигнала (ИМСС) – должен быть изготовлен на подложке с ориентацией поверхности, обеспечивающей бездефектный рост КРТ (в нашем случае это Si(310)). После изготовления мультиплексора необходимо подготовить поверхность кремния, свободную от элементов схемы мультиплексора, на которой необходимо последовательно вырастить буферный слой из CdZnTe и слой КРТ. В этом случае в окнах мультиплексора будет происходить рост монокристаллического материала, в то время как на поверхности защитного оксида материал будет расти в виде поликристалла. Затем в местах, отведенных под пикселы матричного
n p-CdHgTe
In SiO2 ИМСС
CdTe Si (310)
SiO2 In ИМСС
Рис. 1. Схема ФЧЭ монолитного матричного ФП.
ФП, необходимо сформировать p–n-переходы. После этого нужно удалить поликристаллический осадок, нанести защитный диэлектрик и напылить контактные дорожки от фоточувствительных элементов к элементам мультиплексора.
Для освоения такого сложного маршрута были проведены исследования отдельных процессов для установления экспериментальных условий проведения технологических операций и определения их критических значений, не оказывающих деградирующего влияния на параметры мультиплексора, качество материала и параметры p–n-перехода.
Влияние отжига в вакууме на параметры матричного мультиплексора
Исследование влияния высокотемпературного отжига мультиплексора в вакууме для подготовки поверхности кремния к эпитаксиальному росту проведено с использованием матричного мультиплексора марки “МХ-4” форматом 128×128. Параметры мультиплексора соответствовали требованиям функционирования ФЧЭ ФП. Технология изготовления мультиплексора включала проведение следующих операций:
– р-канал на исходной подложке КЭФ-7,5 (100),
– n-канал в кармане 4,5 мкм, расчетное зна чение порогового напряжения +0,868 В;
– полевой окисел – 1 мкм, – подзатворный диэлектрик – 50 нм хлорного окисла, – 2 poly, poly затворы легированы фосфором; – стоки: р-канал 1,29 мкм, n-канал 1,38 мкм; – завершение схемы: алюминий + 1% кремния, моносилановый окисел, окна в окисле, водород. Образцы, вырезанные из одной пластины с мультиплексором, были отожжены в вакууме при различных температурах. Прогрев до температуры 520 °С включительно не привел к изменению внешнего вида кристалла и значений пороговых напряжений и напряжений пробоя транзисторов схемы. Нагрев до 580 °С привел к разрушению металлизации за счет образования эвтектики алюминия с кремнием и снижению значения пороговых напряжений и напряжений пробоя n-канальных транзисторов до нуля. При этом измеряемые характеристики p-канальных транзисторов не изменили своих значений. Нагрев до 640 °С привел к тому, что p-канальный транзистор перешел в состояние мягкого пробоя, но продолжал работать.
56 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
Влияние отжига в вакууме на пороговые напряжения Uпор и напряжения пробоя Uпроб транзисторов мультиплексора МХ-4
Т, °С
20 460 520 580 640
n-канал
Uпор, В +0,65
Uпроб, В +15
+0,7
+15
+0,7
+15
00
00
p-канал
Uпор, В –0,8
Uпроб, В –15
–0,85
–15
–0,9
–15
–0,8
–15
–0,7
–7
Примечания
Внешний вид – без изменений Внешний вид – без изменений Внешний вид – металлизация разрушена p-канал – мягкий пробой, но транзистор работает нормально
В таблице представлены результаты измерений пороговых напряжений и напряжений пробоя для n-канальных и p-канальных транзисторов после каждого отжига. Видно, что p-канальный транзистор сохраняет свои характеристики при отжиге до температуры 580 °С, а n-канальный – при отжиге до 520 °С.
Определение минимальной температуры предэпитаксиального отжига
Наиболее перспективной технологией для создания мультиплексоров большого формата является КМОП-технология. Созданные по такой технологии приборы содержат как p-канальные, так и n-канальные транзисторы. Ранее было определено, что максимальная температура, при которой не происходит изменений параметров транзисторов обоих типов, составляет 520 °С. Следовательно, при создании монолитного ФП температура предэпитаксиального отжига должна быть ниже 520 °С. Мы использовали предэпитаксильную подготовку, в результате которой получалась поверхность, пассивированная монослоем атомарного водорода [4]. Стандартной процедурой предэпитаксиального отжига подложек из Si для эпитаксиального роста соединений A2B6 является отжиг в парах As4 [5]. В результате такого отжига поверхность кремния освобождается от водорода и пассивируется мышьяком. Температура десорбции водорода с поверхности кремния по разным оценкам составляет 550–600 °С [6, 7]. Однако в присутствии паров As, энергия связи которого с кремнием выше чем энергия связи �S�i–�H��,����з��а��мещение H на As может происходить при более низких температурах.
Нами были проведены эксперименты по определению минимально возможной температуры предэпитаксиального отжига. Для этого были выращены гетероструктуры CdTe/ZnTe/Si(310),
в процессе роста которых менялась только температура предэпитаксиального отжига. Было установлено, что минимально возможной температурой предэпитаксиального отжига является температура 450 °С. На рис. 2а представлена дифракционная картина от поверхности слоя ZnTe толщиной 20 нм, выращенного на подложке Si(310), отожженной в парах As4 при темпе ратуре 450 °С. Картина образована вертикаль ными, резкими дифракционными рефлексами,
(а)
(б)
Рис. 2. Дифракционные картины в азимуте [–130] от поверхности гетероструктуры CdTe/ ZnTe/Si(310), выращенной на поверхности Si(310) после предэпитаксиального отжига в парах As4 при температуре 450 °С. а – ZnTe (20 нм), б – CdTe (5 мкм).
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
57
что говорит о том, что выросший ZnTe имеет монокристаллическую структуру. Некоторое уширение рефлексов связано с тем, что на начальной стадии рост Z��n�T�e���н��а���S���i��п��р���о����х����о��д��и��т���п���о���т��р��е��х��м��е�р�ному механизму роста. В результате тонкие слои теллурида цинка имеют сильно развитый микрорельеф. При дальнейшем росте CdTe на ZnTe/ Si(�3�1�0�)��п�о�в�е�р�х�н�о�с�т�ь�г�е�т�е�р�о�с�т�р�у�к�т�у�р��ы��в�ы�г�л�а�ж��и�вается и получаются дифракционные картины, подобные представленной на рис. 2б. Увеличение температуры предэпитаксиального отжига выше 450 °С не приводит к изменению дифракционных картин как от поверхности �Z�n�T�e��,�т�а�к���и����о��т���п���о��в��е��р�х��ности C��d�T�e��.�С���н��и��ж����е��н��и��е��т��е��м���п��е��р��а��т��у��р�ы�п��р�е�д�эп��и�т�а�к�сиального отжига ниже 450 °С приводит к тому, что на дифракционных картинах от поверхности ZnTe рефлексы начинают стягиваться в точки, возрастает диффузионный фон и появляются поликристаллические дуги.
(а) (б)
Селективный рост
Для изучения механизмов роста слоев ZnTe, CdTe,���C��d��Hg��T�e�в��о�к�н�а�х�,��в�с�к�р�ы�т�ы��х��в�д�и�э�л��ек��т�р�и�ке, был изготовлен специальный фотошаблон, состоящий из чередующихся в определенной последовательности квадратных окон разного размера – от 30 до 100 мкм. В центре шаблона для проведения эллипсометрических и дифракционных измерений было создано специальное окно размером 75×15 мм. С использованием данного шаблона в слое SiO2 толщиной 0,7 мкм, нанесенном на поверхность Si(310), были вскрыты окна. Затем поверхность кремния в окнах была окислена в горячей азотной кислоте. Толщина окисла в окнах составляла 2–3 нм. Перед загрузкой в вакуумную систему образцы погружались на 30 с в 1%-ный водный раствор плавиковой кислоты. Такая процедура позволяла удалить тонкий окисел в окнах и оставляла практически неизменным толстый окисел маски. Затем образцы сушились на центрифуге и загружались в установку МЛЭ. Далее на селективной подложке по стандартной методике [8] на установке “Обь-М” [9] были выращены гетероструктуры КРТ, состоящие из слоев ZnTe, CdTe и CdxHg1–xTe�т�о�л�щ��и�н�о�й��0�,�0�2�,��6��и�7�� м��к�м��с�о�о�т�в�е�т�ственно. Мольная доля кадмия в КРТ в процессе роста поддерживалась на уровне х = 0,3.
На рис. 3 представлены фотографии поверхности CdTe и CdxHg1–xTe, выращенных в окнах размером 80×80 мкм. Внешний вид поверхности CdTe и CdxHg1–xTe, выращенных в окнах другого размера, не имел принципиальных отличий.
Рис. 3. Вид поверхности слоев CdTe (а) и CdHgTe (б), выращенных в окнах размером 80×80 мкм, вскрытых в SiO2, нанесенном на поверхность Si(310). Белая рамка на рисунке (б) показывает границы окна.
Данные фотографии совместно с дифракционными картинами, которые наблюдались в проц ессе роста этих гетероструктур, свидетельствуют о том, что в окнах, вскрытых в диэлектрике, вырос монокристаллический КРТ. Из представленных рисунков также видно, что материал, выросший по сторонам окна, имеет повышенную высоту рельефа в буферных слоях и, как следствие этого, высокую плотность V-дефектов в слоях КРТ. Ширина полосы с высокой плотностью V-дефектов для гетероструктуры с толщиной слоев 5,5 мкм для CdTe и 7 мкм для CdHgTe составляет от 5 до 15 мкм для разных сторон окна. Ширина дефектной полосы не за-
58 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
висит от размеров окна, а зависит только от толщины выращенных слоев – чем слои толще, тем полоса шире.
Полученные результаты позволяют сделать определенные выводы. Во-первых, мы можем получать структуры для монолитных ФП без V-дефектов в области, отведенной под фотодиод. Во-вторых, размер окна, отведенного под фотодиод, должен быть больше чем 30×30 мкм. В окне 30×30 мкм бездефектная область, при толщине слоев 6 мкм для CdTe и 7 мкм для CdHgTe, имеет размер 9×18 мкм, что явно не достаточно для создания p–n-переходов и контакт ных дорожек.
Получение p–n-переходов
Окно размером 75×15 мм в центре пластины было необходимо нам не только для контроля процессов роста КРТ, но и для измерения электрофизических параметров выращенного материала. Из материала, выращенного в окне размером 75×15 мм, были выколоты образцы произвольного размера. На этих образцах были измерены толщина и состав слоев, а также концентрация и подвижность основных носителей заряда. Мольная доля теллурида кадмия в образцах составляла х = 0,28–0,30. Образцы имели после роста n-тип проводимости и следующие электрофизические параметры (при 77 К): концентрация электронов – (1–2)×1015 см–3, подвижность (1,0–1,5)×104 см2 В–1 с–1. Образцы были переведены в р-тип посредством отжига в инертной атмосфере при 225 °С. После отжига концентрация дырок составляла (5–10)×1015 см–3, подвижность – 200–400 см2 В–1 с–1. Установка МЛЭ “Обь-М” позволяет получать слои КРТ с высокой степенью однородности по всем параметрам на подложках диаметром 75 мм [10]. Поэтому мы считаем, что толщина и состав слоев, а также концентрация и подвижность основных носителей заряда для КРТ, выращенного в окнах размером до 100 мкм, не отличаются от параметров КРТ, выращенного в окне размером 75×15 мм.
Селективные гетероструктуры р-типа прошли следующие технологические операции:
1) ионное легирование бором для создания p–n-переходов; размер окна для легирования составлял 10×10 мкм;
2) удаление в бромном травителе поликристаллического осадка вокруг монокристаллического КРТ, выращенного в окнах;
3) нанесение диэлектрика, 4) вскрытие окон в диэлектрике,
Рис. 4. Внешний вид диодных меза-структур. Изображение получено в сканирующем элект ронном микроскопе.
5) напыление металлических контактов; контактные дорожки создавались напылением In с использованием взрывной фотолитографии.
В результате проведенных работ были получены диодные меза-структуры, внешний вид которых показан на рис. 4. Диоды были изготовлены из КРТ с составом х = 0,282, что соответствует λ1/2(77 К) = 5,76 мкм. Для этих меза-диодов были измерены вольт-амперные характеристики (ВАХ) и дифференциальные сопротивления. Измерения проводились на компьютеризированном лабораторном стенде при температуре жидкого азота (77 К). Датчиком температуры служило угольное сопротивление. Угловая апертура данного стенда составляла 25°.
При снятии ВАХ с компьютера на p–n-переход подавалось медленно меняющееся напряжение. Ток и падение напряжения на p–n-переходе измерялись через плату сопряжения в компьютере. Плата сопряжения состояла из двух аналогоцифровых преобразователей, обеспечивающих оцифровку напряжения и тока, и одного цифроаналогового преобразователя, обеспечивающего медленно меняющееся напряжение.
После охлаждения до температуры 77 К были сняты ВАХ p–n-переходов без засветки и при фоновой засветке (300 К).
На рис. 5а приведены усредненные ВАХ для меза-структур разного размера. Усреднение для размера 100×100 мкм проводилось по 4 мезадиодам, для размера 50×50 – по 5 меза-диодам, а для размера 80×80 – по 2� м�е�з�а�-�д�и�о�д��а�м�.�И��з�р��и�сунка видно, что темновые токи для меза-диодов
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
59
Ток, А 10–11
Дифференциальное сопротивление, Ом
8 (а)
4
более точного определения зависимости тока при
засветке от размеров меза-диода и определения
значения R0A необходимо значительно большее число измерений.
02 3 1
– 4
1
– 8 – 0,8
1010
(б)
3 2
– 0,4
0
Напряжение смещения, В
1
108 3 1
106
104 – 0,8
– 0,4 0 0,4
Напряжение смещения, В
Рис. 5. ВАХ (а) и дифференциальные сопротивления (б) меза-диодов разной размерности: 1 – 50×50, 2 – 80×80, 3 – 100×100 мкм. Длин-
новолновая граница фоточувствительности
λ1/2(77 К) = 5,76 мкм.
всех размеров примерно одинаковые, а токи при засветке возрастают при увеличении латеральных размеров. Это может означать, что длина диффузии неосновных носителей заряда больше 20 мкм. На рис. 5б представлены усредненные дифференциальные сопротивления для мезадиодов размером 100×100 и 50×50 мкм. В отличие от токов при засветке для дифференциальных сопротивлений не наблюдается зависимости от латеральных размеров меза-структур. Значение дифференциального сопротивления при нулевом смещении составляет порядка 5×109 Ом. Так как мы предполагаем, что длина диффузии неосновных носителей заряда больше 20 �м�к��м�,�т�о��м�о�ж��н�о��с�ч�и�т�а�т�ь�,�ч�т�о��о�п�т�и�ч��е�ск��а�я�п��л�о�щадь p–n-перехода, как минимум, составляет 50×50 мкм2. Исходя из этого значение R0A для наших меза-диодов составляет 1,25×105 Ом см2, что сопоставимо с предельными значениями R0A для диодов с λ1/2(77 К) �=� �5�,�7�6� м��к�м��[�1�1�]�.�П��р�и�в�е�д�е�н��ные значения являются приближенными и для
Фотоприемный кристалл 1×32 для отработки технологии изготовления
монолитного фотоприемника на основе КРТ
Нами разработан тестовый мультиплексор “КРТ-1” формата 1×32 элемента. Мультиплексор предназначен для отработки совмещенной технологии изготовления монолитного однокристального КРТ-ФП. Разработанный кристалл содержит также полный набор тестовых элементов для исследования качества операций совмещенного технологического маршрута и характеристик компонентов схемы. Размеры кристалла – 3,05×7,40 мм (при ширине скрайберной дорожки 200 мкм).
Тестовый кристалл “КРТ-1” был изготовлен по n-МОП-технологии с поликремниевыми затворами и с металлической разводкой на пластине кремния КДБ-10 с ориентацией (310). Непосредственно перед загрузкой в вакуумную камеру пластины с мультиплексором “КРТ-1” проходили следующую предэпитаксиальную подготовку:
1) удаление органических загрязнений в кислородной плазме в течение 2 мин (обработка проводилась в емкостном реакторе на заземленном электроде, давление кислорода в реакторе составляло 1 мм рт. ст., возбуждение плазмы осуществлялось переменным полем с частотой 13,56 МГц и мощностью 100 Вт);
2) травление в 1%-ном водном растворе HF в течение 1 мин,
3) сушку на центрифуге в течение 25 с. На подготовленной таким образом пластине, содержащей тестовые кристаллы “КРТ-1”, последовательно были выращены слои теллурида кадмия и КРТ. Параметры роста были стандартными, за исключением температуры предэпи таксиального отжига, которая составляла 500 °С. На рис. 6 представлены общий вид мультиплексора с выращенными слоями CdTe и CdxHg1–xTe и вид отдельного окна для КРТ-диода. Сравнивая изображения на рис. 3б и 6б, можно увидеть, что плотность поверхностных макродефектов в случае роста на пластине, содержащей тестовые кристаллы, существенно выше, чем в случае роста в окнах, вскрытых в SiO2, нанесенном на поверхность Si(310). По нашему мнению, для
60 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
(а)
(б)
Рис. 6. Вид мультиплексора “КРТ-1” с выращенными слоями CdTe и CdxHg1–xTe. а – общий вид, б – вид отдельного окна для КРТ-диода. Размер окна 100×100 мкм.
снижения плотности поверхностных макродефектов в окнах необходимо оптимизировать технологию изготовления мультиплексора и процедуру предэпитаксиальной подготовки.
Заключение Разработаны процессы предэпитакиальной подготовки поверхности кремния с изготовленной системой считывания сигнала. Показано, что максимальная температура, при которой параметры схемы считывания остаются неизменными, составляет 520 °С. Установлено, что сни- жение температуры предэпитаксиального отжига до 450 °С не приводит к значительному ухудшению структурного совершенства слоев КРТ. Проведены исследования роста слоев CdTe и CdHgTe в окнах размерами от 30×30 до 100×100 мкм, вскрытых в SiO2, нанесенном на поверхность S��i(��3��1��0��)��.��П���о�к�а�з�а�н�а��п�р�и�н�ц�и��п�и�а�л�ь�-
ная возможность выращивания монодоменных монокристаллических слоев CdTe и CdHgTe без V-дефектов в окнах, вскрытых в SiO2.
Из селективных гетероструктур HgCdTe/Si, по меза-технологии с формированием индиевых контактов, изготовлены тестовые ФЧЭ и измерены их ВАХ. Значение R0A для меза-диодов составляет 1,25×105 Ом см2. Показана возможность получения индиевых спусков для меза-структур высотой до 15 мкм.
Изготовлен тестовый n-канальный мультиплексор формата 1×32 элемента на пластине Si(310) марки КДБ-10, предназначенный для отработки совмещенной технологии изготовления монолитного однокристального КРТ-ФП. На пластине S��i(�3�1�0��),�с�о�д�е�р�ж��а�щ��е�й�т�е�с�т�о�в�ы�й��м�у�л��ь�т�и�плексор, выращены слои КРТ.
Полученные результаты показывают принципиальную возможность создания монолитного матричного приемника ИК излучения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kinch M.A., Chandra D., Schaake H.F., Shih H.-D., Aqariden F. Arsenic doped mid-wevelength infrared HgCdTe photodiodes // J. Electr. Mater. 2004. V. 33. № 6. P. 590–595.
2. Beker I.M., Maxey C.D. Summary of HgCdTe array technology in the U.K. // J. Electr. Mater. 2001. V. 30. № 6. P. 682–689.
3. Сидоров Ю.Г., Дворецкий С.А., Варавин В.С., Михайлов Н.Н., Якушев М.В., Сабинина И.В. Молекулярно-лучевая эпитаксия твердых раст воров кадмий-ртуть-теллур на “альтернативных” подложках // ФТП. 2001. Т. 35. № 9. С. 1092–1101.
4. Fenner D.B., Biegelsen D.K., Bringans R.D. Silicon surface passivation by hydrogen termination: A comparative study of preparation methods // J. Appl. Phys. 1989. V. 66. P. 419–424.
5. Hall D.J., Buckle L., Gordon N.T., Giess J., Hails J.E., Cairns J.W., Lawrence R.M., Graham A., Hall R.S., Maitby C., Ashley T. High-performance long-wavelength HgCdTe infrared detectors grown on silicon substrates // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. № 11. P. 2113–2115.
6. Yao H., Woollam J.A., Alterovitz S.A. Spectroscopic ellipsometry studies of HF treated Si (100) surfaces // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 62. № 25. P. 3324–3326.
7. Yoshimura M., Ono I., Ueda K. Initial stages of Ni reaction on Si(100) and H-Terminated Si(100) surfaces // Appl. Surf. Science. 1998. V. 130–132. P. 276–281.
8. Якушев�М����.�В������.,��� �Б�а�б�е�н�к�о���А�����.��А����.�,�����В�����а����р���а����в���и����н�������В�������.��С�����.��,������В������а�����с��и�льев �В��.В���.�,���М����и��р��о���н����о��в��а�����Л����.��В�����.��,�����П�������р����и�����д���а����ч���и����н������Д������.��Н��������.�,�����Р������е����м�����е��с�ник В.Г., Сабинина И.В., Сидоров Ю.Г., Сусляков А.О. С��т�р�у�к�т�у�р�н�ы��е�и�����э���л���е����к���т���р���о���ф����и����з���и���ч���е���с��к��и��е�����с��в���о��й��ства�г��е��т��е��р��о��э��п��и��т��а��к��с��и��а�л�ь�н��ы�х���п���л���е��н��о�к�� H�g�C��d�T�e�,�в�ы��-
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
61
ращенных методом МЛЭ на подложках Si(310) // Прикладная физика. 2007. № 4. С. 108–115.
9. Белоконев В.М., Крайлюк А.Д., Дегтярев Е.В., Варавин В.С., Васильев В.В., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Придачин Д.Н., Сидоров Ю.Г., Якушев М.В., Асеев А.Л. Статус молекулярно-лучевой эпитаксии кадмий–ртуть–теллур в тепловизионной технике // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47. № 9. С. 7–19.
10. Сидоров Ю.Г., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Якушев М.В., Варавин В.С., Анциферов А.П. Молекулярно-лучевая эпитаксия узкозонных соединений CdxHg1–xTe�. �О�б�о�р�у�д��о�в�а�н�и�е��и��т�ех��н�о�логия // Оптический журнал. 2000 Т. 67. № 1. С. 39–45.
11. Рогальский А. Инфракрасные детекторы. Пер. с англ. / Под ред. Войцеховского А.В. Новосибирск: Наука, 2003. 636 c.
62 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009