УДК 621.383.52:546.48'49'.24

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

          Фотодиоды из твердого раствора теллуридов кадмия - ртути Cd_xHg_1-xTe (КРТ) в последние годы стали основным фоточувствительным элементом современной инфракрасной техники. Особенно возросла их роль после создания матричных фотоприемников. Однако бытует мнение, что из-за высокой скорости диффузии атомов ртути фотоприемники из КРТ должны быть нестабильны во времени и особенно, при хранении при повышенных температурах. Наибольший интерес представляют фотодиоды на спектральный диапазон
8-12 мкм. Поскольку в них концентрация ртути наиболее высокая (х ~0,2), то в них наиболее четко должна проявляться возможная нестабильность. В связи с этим нами в 1990 г. были поставлены исследования стабильности фотодиодов этого спектрального диапазона.

          Стабильность монокристаллов КРТ. Фотодиоды работают при охлаждении до температуры жидкого азота и ниже. Поэтому они подвергаются при каждом включении термоударам с перепадом температуры до 200-250°С. В зависимости от области применения такие изменения температуры могут происходить за времена от нескольких минут до нескольких секунд. Резкое охлаждение приводит к возникновению внутренних напряжений, которые могут вызывать появление структурных дефектов. Для уменьшения вероятности их появления необходимо использование структурно совершенного материала без включений вторых фаз и без малоугловых границ.
          При длительном хранении при повышенных температурах возможно изменение объемных свойств КРТ из-за диффузии ртути, имеющей высокий коэффициент диффузии, а также из-за ухода растворенных в объеме и адсорбированных на поверхность газов.
          Нами проведено исследование термостабильности КРТ вплоть до Т = 400°С. Методами масс-спектроскопии изучался состав выделяющихся из КРТ элементов. Показано, что прогрев в течение нескольких часов до температур 200-250°С в вакууме приводит только к удалению поверхностных загрязнений. При достаточно хорошей подготовке поверхности эти загрязнения составляют всего 0,02-0,05 моноатомного слоя. При более высоких температурах начинает сказываться диффузия из объема полупроводника таких элементов, как Н, С, О и Hg. Одновременно происходит и перестроение атомов в объеме.
          При концентрации носителей порядка 10¹⁴ см^-3 прогрев в течение нескольких месяцев при Т = +60°С уже приводит к изменению электрофизических характеристик, что может вызвать изменение параметров фотоприемников из такого материала. При концентрациях порядка 10¹⁶ см^-3 соответствующие времена во много раз увеличиваются и даже при Т = +70°С заметных изменений параметров материала не наблюдается в течение многих лет. Все это относится, естественно, к материалу с высоким структурным совершенством.
          Нанесение на поверхность полупроводника хорошей диэлектрической защитной пленки значительно замедляет все деградационные процессы и существенно повышает термостабильность КРТ.
          В фотодиодах используется КРТ высокого структурного совершенства и его поверхность тщательно очищается и защищается хорошим диэлектриком. Поэтому деградацию монокристалов КРТ в фотодиодах при температурах хранения до +70°С можно не учитывать.
          Стабильность легированной n-области р-n-перехода в значительной степени определяется технологией ее создания. В настоящее время наиболее распространенным технологическим методом легирования является имплантация ионов высокой энергии. Концентрация возникающих при этом процессе доноров намного больше количества имплантированных ионов из-за образования механодоноров [1]. Они образуются и при малых энергиях ионов и даже при облучении быстрыми электронами. Степень их термостабильности сильно зависит от энергии ионов.
          Стабильность границы раздела поверхности КРТ - диэлектрическая пленка определяется в первую очередь качеством очистки поверхности перед нанесением пленки, от ее качества и состава (наличие пор и загрязнений), от диффузии ртути и примесей из объема КРТ. При рабочих условиях и при хранении последний процесс существенной роли не играет.
          Таким образом, стабильность границы раздела полностью определяется совершенством технологических методов и выбором наносимого диэлектрика.
          Стабильность поверхности фотодиодов определяется качеством очистки поверхностей криостатирующего баллона. Поскольку фотодиод работает в условиях глубокого охлаждения и в корпусе он находится в самой холодной точке, то во время работы происходит "перекачка" всех "загрязнений" на поверхность фотодиода. Эти "загрязнения" могут существенно увеличивать токи "утечки" и шумы.

          Фотодиоды изготавливались из монокристаллических пластин КРТ состава х = 0,21 р-типа проводимости. Монокристаллы КРТ выращивались (Гиредмет) методом перекристаллизации из предварительно синтезированной шихты с непрерывной подпиткой зоны расплава из твердой фазы. Выращенные кристаллы разрезались на пластины, которые подвергались механико-химической обработке и двуступенчатому отжигу в насыщенных парах ртути. Финишная температура отжига 270°С. Концентрация дырок в пределах (4 - 8)·10¹⁵ см^-3, подвижность около 400 см²·В^-1·с^-1, плотность дислокаций порядка 10⁴ см^-2, время жизни неосновных носителей около 100 нс, что соответствует длине диффузионного смещения
80-100 мкм. Включения, выделения вторых фаз и малоугловые границы отсутствуют. Толщина образцов 500-600 мкм.
          Фотодиоды изготовлялись по разработанной в НПО "Орион" технологии. Р-n-переход создавался методом ионного легирования ионами бора с энергией 150 кэВ. Размеры p-n- перехода 75х75 мкм и глубина залегания 0,5 мкм. Размеры фоточувствительной площадки контролировались с точностью 5 мкм. Концентрация носителей с легированием n-области составляла 5·10¹⁷ см^-3. Сопротивление при обратном смещении 30 мэВ было в пределах 1-2 МОм при красной границе 11- 12 мкм. Образцы находились в атмосфере азота и размещались в стандартном корпусе для малоэлементных фотоприемников с апертурой 60°. Окно изготавливалось из просветленного германия. Все детали корпуса тщательно очищались и обесгаживались. Перед окончательной герметизацией корпус подвергался длительной откачке при подогреве в "чистом" глубоком вакууме.
          При изготовлении фотодиодов большое внимание уделялось подготовке и тщательной химической очистке поверхности для максимального исключения механодоноров (Бовина Л. А., Стафеев В. И. и др. Дефекты в Cd_xHg_1-xTe, создаваемые облучением СО₂-лазера. Примеси и дефекты в узкозонных полупроводниках: Матер. Всес. семинара по проблеме "Физика и химия полупроводников". - Павлодар: Ромайор, 1987.) и загрязнений. Поверхность защищалась наносимыми в чистом вакууме пленками SiO₂ или Al₂O₃. Качество границы раздела контролировалось по CV- характеристике.

          Основным параметром фотоприемника является обнаружительная способность. Фотоприемники дальнего ИК-диапазона спектра работают при глубоком охлаждении. Для фотоприемников на основе КРТ - это температура жидкого азота. Поэтому нами был выбран именно этот параметр для контроля стабильности фотодиодов.
          Было проведено три группы исследований:
          Термоциклирование - циклическое изменение температуры от +60°С до -60°С. Проводилось 10 температурных циклов по два цикла в день. Каждый цикл включал двухчасовую выдержку в нерабочем состоянии при упомянутых температурах.
          Испытания на воздействие повышенной температуры (режим хранения) состояли в выдержке в нерабочем состоянии в течение 100 ч при Т = +60°С С и затем при
Т = +70°С в течение 50 ч. Таких циклов также было проведено три. Таким образом, полное время хранения при Т = +60°С составляло 300 ч. и при Т = +70°С - 150 ч.
          Перед каждым испытанием и после него проводился замер обнаружительной способности при нормальных условиях. Измерения проводились в обычных лабораторных условиях без контроля температуры окружающей среды и фоновой освещенности. По этим причинам наблюдался некоторый разброс значений обнаружительной способности перед началом испытаний.
          Исследования временной стабильности нами были начаты в 1990 г. и проводились до настоящего времени. Образцы хранились при комнатной температуре в лабораторном помещении без каких-либо специальных мер защиты. Испытания сводились к периодическим измерениям обнаружительной способности в нормальных условиях.
          На исследования было поставлено 8 фотодиодов.

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

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

			N фотодиодов						Сред нее зна чение
			1	2	1	2	1	2
			Термоциклирование Т = 60°С Т = -60°С		Выдержка при Т = +60°С, 300 ч		Выдержка при Т = +70°С, 150 ч
Март 1991 г.	До испыт.	D*0	5,9	6,0	6,0	7,1	6,6	6,6	6,37
	После испыт.	D*/D*0	1,08	1,20	1,13	0,93	0,91	1,08	1,06
Июнь 1991 г.	До испыт.	D*/D*0	1,29	1,17	1,13	1,00	1,08	1,06	1,12
	После испыт.		1,3	1,2	1,17	0,96	1,26	1,17	1,15
Август 1991 г.	До испыт.	D*/D*0	1,08	1,30	1,08	0,89	0,98	1,03	1,06
	После испыт.		1,08	1,29	1,15	0,92	0,97	1,17	1,10
Среднее значение			1,17	1,23	1,13	0,94	1,04	1,10	1,10

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

	10. 1990 НИИ ПФ	11. 1990 Геофизика	01.1991	02.1991	03.1991	04.1991	06.1991	08.1991	10.1991
D*lмах	D0 = 5,5	D* = 6,1
D*/D0	1,0	1,11	1,04	1,04	1,10	1,10	1,12	1,07	1,07
	10.1990 НИИ ПФ	11.1990 Геофизика	11.1991	12.1991	03.1992	09.1992	10.1993	03.1995	08.1998 НИИ ПФ
D*lмах	D0 = 5,5	D* = 6,1
D*/D0	1,0	1,11	1,08	1,03	1,08	1,13	1,22	1,22	0,96

STUDY OF CdHgTe PHOTODIODES PERFORMANCE STABILITY

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

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

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

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

Содержание журнала "Прикладная физика" N 3, 1999 г.