Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология неорганических веществ

Диссертационная работа:

Денисов Игорь Андреевич. Разработка технологии выращивания эпитаксиальных слоев кадмий-ртуть-теллур методом жидкофазной эпитаксии для инфракрасных фотоприемников : диссертация... кандидата технических наук : 05.17.01 Москва, 2007 140 с. РГБ ОД, 61:07-5/2446

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Список сокращений и обозначений 4

Введение 5

Глава 1. Общая характеристика материала CdHgTe. Основные методы
выращивания и управления свойствами ЭС CdHgTe
(обзор литературы) 14

  1. Основные свойства материала CdHgTe (KPT) 14

  2. Методы выращивания ЭС КРТ 22

  1. Газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений 24

  2. Молекулярно-лучевая эпитаксия 27

  3. Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ) 29

1.3 Фазовые равновесия в системе Cd - Hg - Те применительно

к условиям проведения ЖФЭ 38

  1. Легирование и термообработка КРТ с целью придания заданных электрофизических свойств 43

  2. Требования к ЭС КРТ для создания многоэлементных фоторезисторов и фотодиодных матричных фотоприемников 46

1.6 Выводы по главе 1 48

Глава 2. Опробование различных вариантов ЖФЭ применительно к получе
нию ЭС КРТ из растворов-расплавов на основе Те 51

  1. ЖФЭ КРТ в горизонтальной проточной системе 53

  2. Вертикальный вариант ЖФЭ КРТ в условиях повышенного давления защитного газа 57

  3. ЖФЭ КРТ в запаянной кварцевой ампуле 61

2.4 Выводы по главе 2 65

Глава 3. Математическое моделирование процессов выращивания

ЭС КРТ из жидкой фазы 67

3.1 Математическая постановка задачи 69

  1. Результаты численного моделирования конвекции при растворении и росте КРТ методом ЖФЭ 75

  2. Выбор режимов получения ЭС с гладкой поверхностью и однородным распределением состава 81

3.4 Выводы по главе 3 85

Глава 4. Разработка технологических основ выращивания ЭС КРТ

методом ЖФЭ в запаянной ампуле, их легирования и отжига 86

4.1 Разработка технологических режимов выращивания ЭС КРТ с
заданными составом, толщиной и морфологией поверхности
из растворов-расплавов на основе Те 86

4.2Исследование структурного совершенства ЭС КРТ, выращенных
по разработанным технологическим режимам 96

4.3Разработка технологических режимов выращивания
легированных индием или галлием ЭС КРТ из растворов-
расплавов на основе Те 99

4.4Разработка режимов отжига. Электрофизические, фотоэлектри
ческие и оптические свойства ЭС КРТ 102

4.5 Выводы по главе 4 106

Глава 5. Разработка технологии выращивания ЭС КРТ методом ЖФЭ
для крупноформатных матричных фотодиодных и
многоэлементных фоторезистивных ИК фотоприемников 107

5.1 Технология выращивания ЭС КРТ методом ЖФЭ для

ИК фотоприемников 107

5.2 Опробование ЭС КРТ при изготовлении крупноформатных
матричных фотодиодных и многоэлементных фоторезистивных
ИК фотоприемников 114

5.3 Выводы по главе 5 117

Выводы 118

Список литературы 122

Список сокращений и обозначений

ГФЭ — газофазная эпитаксия

ГФЭМОС — газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений ЖФЭ — жидкофазная эпитаксия ИК — инфракрасный

ИПФЭ — изотермическая парофазная эпитаксия КРТ — твердый раствор CdxHgi.xTe КТ — теллурид кадмия, CdTe КТС — твердый раствор CdTei.zSez КЦТ — твердый раствор Cdi.yZnyTe МЛЭ — молекулярно-лучевая эпитаксия МРСА — микрорентгеноспектральный анализ МФПУ — матричное фотоприемное устройство РТ — теллурид ртути, HgTe СЭМ — сканирующая электронная микроскопия ТД —технологическая документация ТУ — технические условия ФД — фотодиод ФП — фотоприемник ФР — фоторезистор ЭС — эпитаксиальный слой ЭФХ — электрофизические характеристики х — состав твердого раствора CdxHgi.xTe, мольная доля CdTe т — время релаксации фотопроводимости, с Eg — ширина запрещенной зоны, эВ Nd — плотность дислокаций, см"2 цп — подвижность электронов, cm^B'V1 Цр — подвижность дырок, cm^B'V1

Введение к работе:

Актуальность темы. Все передовые страны мира интенсивно развивают производство устройств регистрации инфракрасного (ИК) излучения, которые используются как при создании современных систем вооружений, так и в различных сферах гражданского применения медицине, транспорте, строительстве, экологическом мониторинге, пилотажно-навигационных системах Подавляющее большинство современной аппаратуры ИК диапазона спектра создается с использованием узкозонных полупроводниковых твердых растворов CdxHgi.xTe Благодаря возможности плавного изменения ширины запрещенной зоны (Eg) с изменением химического состава, диапазон спектральной чувствительности фотоприемников (ФП), изготовленных на основе CdxHgi.xTe, перекрывает полосы поглощения большинства газов, имеющихся в атмосфере, и включает в себя основные окна прозрачности атмосферы, в том числе в средневолновой (3-5 мкм) и длинноволновой (8-14 мкм) областях ИК спектра Широкие возможностк управления электрофизическими свойствами позволяют получать CdxHgi.xTe с концентрацией и подвижностью носителей заряда, обеспечивающими возможность создания как фоторезисторов (ФР) на основе CdxHgi.xTe п-типа, так и фотодиодов (ФД) на основе CdxHgi-xTe р-типа проводимости с высокими эксплуатационными характеристиками

Актуальным направлением развития ИК-техники является увеличение числа чувствительных элементов ФП и переход от многорядных сканируемых систем к крупноформатным матричным фотоприемным устройствам (МФПУ) "смотрящего" типа, в которых каждому элементу изображения соответствует свой фоточувствительный элемент Исходя из этого, выдвигаются требования к фоточувствительному материалу, который должен иметь высокую однородность распределения состава, электрофизических и фотоэлектрических свойств на большой площади, обладать высоким структурным совершенством и качеством поверхности, пригодным для приборного применения В случае CdxHgi_xTe перечисленным требованиям наиболее полно удовлетворяют эпитаксиальные технологии выращивания

В настоящее время практически весь объем выпуска ФР со спектральной чувствительностью в области 8-14 мкм в России базируется на использовании ог%емных кристаллов CdxHgi-xTe п-типа проводимости Новые возможности для совершенствования технологии изготовления многоэлементных ФР и снижения их стоимости открывает использование эпитаксиальных структур со слоем Cd*Hgi.xTe п-типа проводимости толщиной (8-15) мкм, высоким качеством поверхности, электрофизическими и фотоэлектрическими свойствами на уровне объемных кристаллов

На сегодняшний день в России и за рубежом активно развиваются три основных метода эпитаксии CdxHgi.xTe жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), молекулярно-лучевая эпи-таксия (МЛЭ) и газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений (ГФЭМОС) Не смотря на то, что МЛЭ и ГФЭМОС обеспечивают получение эпитаксиальных слоев (ЭС) большой площади с зеркальной поверхностью и могут использовать хорошо разработанные относительно дешевые подложки GaAs, Si, Ge и т п, основным промышленным методом выращивания ЭС CdxHgi_xTe в мире является ЖФЭ При выращивании однослойных структур, которые испочьзуются для изготовления многоэлементкых ФР и крупноформатных МФПУ, на передний план выходят такие достоинства метода как высокая производительность, простота технологического оборудования, высокая чистота ЭС, дополнительная очистка от ряда примесей при кристаллизации из раствора-расплава Наряду с этим в последние годы достигнут значительный прогресс в технологии вьіращиванаї и обработки изовалентных и изопериодных с CdxHgi хТе твердых растворов Cdi_yZnyTe, которые используются при ЖФЭ CdxHgi-xTe и являются оптимальным подложечным материалом Необходимо отметить, что на момент начала работы в России отсутствовали разработанные методы эпитаксии CdxHgi Де

Настоящая работа являлась частью исследований, проводимых в соответствии с координационным планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ФГУП «Гиредмет» по темам «Исследование, разработка базовой технологии жидко-фазной эпитаксии высокооднородного КРТ для нового поколения матричных ИК-фотоприемников на спектральные диапазоны 1—12 мкм», шифр «Сатурн-М-ОКО»(2003год), «Разработка базовых технологий изготовления эпитаксиальных полупроводниковых структур теллурида кадмия - ртути для производства крупноформатных матричных фотоприемников», шифр «Гепард»(2004), "Разработка технологии и выпуск ТУ на эпитаксиапьные слои КРТ для крупноформатных ФЭМ", шифр "Фотоника-21 Э" (2005год), «Разработка опытно-промышленной технологии изготовления эпитаксиальных структур CdxHgi-xTe для производства многоэлементных фотоприемников», шифр "Ягуар"(2005год)

Цель работы

Разработка технологии выращивания методом ЖФЭ ЭС Cd„Hgi.xTe р-типа проводимости для крупноформатных МФПУ с областью спектральной чувствительности в диапазонах длин волн 3 - 5 и 8 -14 мкм

Разработка технологии выращивания методом ЖФЭ ЭС CdxHgi_xTe п-типа проводимости для замены объемных кристаллов CdxHgi-xTe при промышленном производсгве

5 многоэлементных ФР с областью спектральной чувствительности в диапазонах длин волн 3 -5 и 8- 14мкм

Для достижения целей работы необходимо было решить следующие задачи

провести экспериментальную проверку возможностей основных вариантов метода ЖФЭ с целью аргументированного выбора одного из них для дальнейшей разработки и организации опытно-промышленного производства ЭС ЖФЭ CdxHgi.xTe,

разработать и оптимизировать режимы выращивания ЭС CdxHgi.xTe методом ЖФЭ из растворов - расплавов на основе Те, обеспечивающие получение ЭС CdxHgi-xTe, пригодных для приборного применения,

разработать режимы прецизионного легирования ЭС CdxHgixTe донорными примесями III группы Периодической системы элементов при их выращивании методом ЖФЭ из Те - обогащенных растворов с целью увеличения стабильности получения п -типа проводимости с требуемыми электрофизическими характеристиками (ЭФХ),

разработать и оптимизировать режимы отжига легированных и преднамеренно не легированных ЭС CdxHgi.xTe ЖФЭ с целью достижения ЭФХ, обеспечивающих их пригодность для изготовления ФД крупноформатных МФПУ и ФР многоэлементных ИК ФП,

разработать технологию изготовления ЭС CdxHgi-xTe методом ЖФЭ с выпуском ТД и ТУ, обеспечивающую производство и поставку ЭС CdxHgi_xTe пир- типа проводимости в заинтересованные организации для производства ФД крупноформатных МФПУ и ФР многоэлементных ИК ФП с областью спектральной чувствительности в диапазонах длин волн 3 - 5 и 8 - 14 мкм

Научная новизна

1 Определена область изменения технологических параметров при ЖФЭ
CdxHgi.xTe из растворов-расплавов на основе Те, в которой массоперенос растворенных
компонентов к фронту кристаллизации осуществляется в режиме близком к диффузион
ному

  1. Впервые установлена причина возникновения волнообразного макрорельефа на поверхности ЭС, заключающаяся в формировании фронта кристаллизации в условиях конвективного массопереноса в жидкой фазе на начальных стадиях проведения процесса эпитаксии

  2. Впервые методом радиоактивных индикаторов определены коэффициенты распределения индия и галлия и их концентрационная зависимость при легировании ЭС CdxHgi_xTe в процессе ЖФЭ из раствора-расплава на основе Те

  3. Впервые предложена модель образования выступающих дефектов роста на поверхности ЭС при ЖФЭ CdxHgi-xTe

5 Разработаны режимы отжига ЭС CdxHgi хТе в парах шихты на основе Те, обеспечивающие получение материала р-типа проводимости с концентрацией носителей заряда при температуре 77,3 К р=(0 5-2 0)х1016 см"3, подвижностью р.р до 600 см2В"'с' и исключающие возможность дефектообразования на поверхности ЭС в результате локального взаимодействия с паровой фазой

Практическая значимость

Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что разработаны физико-химические основы технологии выращивания нелегированных и легированных индием (галлием) ЭС CdxHgi хТе из растворов-расплавов на основе Те в запаянной кварцевой ампуле, обеспечивающие получение ЭС с составом, толщиной, однородностью распределения состава и толщины по площади ЭС, электрофизическими и фотоэлектрическими характеристиками и с качеством поверхности, необходимыми для изготовления крупноформатных МФПУ и многоэлементных ФР с областью спектральной чувствительности, соответствующей основным окнам прозрачности атмосферы

Разработанные режимы отжига ЭС непосредственно в ростовой ампуле позволяют исключить из технологического маршрута операции, связанные с химической обработкой, компоновкой, вакуумированием и запайкой ампул для проведения отжига

Выпущены комплекты технологической документации ТД 48 0572 199 04, ТУ 1778-292/0-0198396-04, ТД 48 0572 203 05, ТУ 1778-293/0-0198396-05 на технологию выращивания ЭС CdxHgi_xTe р-типа проводимости методом ЖФЭ для крупноформатных МФПУ

Выпущены ТД 48 0572 204 05 и ТУ 1778-291/0-0198396-05, литера «Оі», для технологии выращивания ЭС CdxHgi.xTe n-типа проводимости методом ЖФЭ для многоэлементных ФР ЭС CdxHgi.xTe n-типа проводимости предназначены для замены объемных кристаллов CdxHgi хТе в серийном производстве миогоэлементньгх ФР

По разработанным технологиям на базе ФГУП "ГИРЕДМЕТ" организовано опытно-промышленное производство ЭС CdxlIgi_xTe п и р-типа проводимости Осуществляются поставки на заводы и в организации, производящие и разрабатывающие ИК ФП

На защиту выносятся:

  1. Технология выращивания ЭС CdxIIgi хТе р-типа проводимости для крупноформатных МФПУ на спектральные диапазоны 3 - 5 и 8 - 14 мкм

  2. Технология выращивания ЭС CdxHgi хТе n-типа проводимости, в том числе, легированных индием, для многоэлементных ФР на спектральные диапазоны 3-5 и 8-14 мкм

  1. Результаты численного моделирования процесса ЖФЭ CdxHgi.xTe в двумерном приближении с использованием разработанной математической модели

  2. Разработанные режимы отжига ЭС CdxHg].xTe в парах шихты на основе Те, обеспечивающие получение заданных электрофизических характеристик ЭС р-типа проводимости в едином технологическом цикле с их выращиванием

  3. Режимы легирования ЭС ЖФЭ CdjHgi.xTe индием и галлием в процессе выращивания ЭС из растворов-расплавов на основе Те, коэффициенты распределения индия и галлия и их концентрационная зависимость

Личный вклад автора

Автором проведены исследования кинетики разложения раствора-расплава на основе Те при проведении ЖФЭ в проточной системе, разработана конструкция контейнера для проведения ЖФЭ методом сдвига, определены термодинамические коэффициенты (в том числе, рассчитаны коэффициенты концентрационного расширения) и сформулированы граничные условия математической модели ЖФЭ, выполнены работы, связанные с использованием радионуклидов индия и галлия при разработке режимов легирования ЭС, предложена модель образования выступающих дефектов роста на поверхности ЭС, предложены и отработаны режимы отжига ЭС непосредственно в ростовой ампуле в парах шихты на основе Тс При непосредственном участии и под руководством автора оптимизированы режимы выращивания ЭС, оформлены ТУ и ТД на разработанные технологии

Работы проводились в тесном взаимодействии с соавторами, которые не возражают против использования в диссертации совместно полученных результатов

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на X, XI Национальных конференциях по росту кристаллов (г Москва 2002, 2004), на XVI, XVIII международных конференциях по фотоэлектронике и приборам ночного видения (г Москва 2000,2004), на Всероссийском совещании по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники (г Новосибирск 2003), на VI Российской конференции по физике полупроводников (г Санкт-Петербург, 2003), на ХЕХ международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного влдения (г Москва 2006), SPIE's 47 Annual Meeting (Seattle, Washington, USA, 2002), 13* Intern Workshop on room-temperature semiconductors X- and gamma- ray detectors (Portland, Oregon, USA, 2003)

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 27 печатных работ, из них 3 в журналах, входящих в перечень, утвержденный ВАК РФ Список основных работ приведен в конце автореферата

Структура и объем диссертации

Подобные работы
Смирнова Наталья Анатольевна
Разработка технологии изготовления подложек CdZnTe для выращивания гетероструктур CdHgTe/CdZnTe методом жидкофазной эпитаксии
Чубенко Мария Николаевна
Разработка технологии очистки производственных стоков с утилизацией соединений меди и цинка
Грицына Алексей Петрович
Разработка технологии гранулированных удобрений пролонгированного типа на основе мочевино-формальдегидных соединений
Хромов Сергей Владимирович
Разработка технологии глубокой очистки экстракционной фосфорной кислоты комбинированным методом
Кожевников Антон Владимирович
Разработка технологии гранулирования фторида алюминия
Гришин Дмитрий Львович
Синтез и разработка технологии высококонденсированного полифосфата аммония (ПФА)
Никандров Михаил Игоревич
Разработка технологии концентрированных динатрий- и тринатрийфосфатов
Кох Александр Аркадьевич
Исследование и разработка технологии очистки хлорсиланов
Крайнова Екатерина Александровна
Разработка технологии сульфокатионитов методом сернокислотного обугливания различных видов целлюлозосодержащих твердых отходов
Москаленко Людмила Викторовна
Разработка технологии получения термостабильного удобрения на основе аммиачной селитры

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net