ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, < 2, с. 108-112
УДК 546.49
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ОТЖИГА НА ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО
ТЕЛЛУРИДА КАДМИЯ
© 2007 г. В. П. Махний
Черновицкий национальный университет им. Ю. Федьковича, Черновцы, Украина
Поступила в редакцию 29.03.2005 г.
Показано, что термический отжиг монокристаллических подложек теллурида кадмия на воздухе приводит к существенному изменению структурных и оптических свойств поверхностного слоя. Наблюдаемые особенности, которые возникают при определенных режимах отжига, объясняются в рамках теории квантово-размерных эффектов.
ВВЕДЕНИЕ
Теллурид кадмия может быть базовым материалом для создания детекторов различного рода квантовых частиц оптического Х- и у-диапазонов спектра, электронов, протонов и др. [1]. В спектрометрии и дозиметрии высокоэнергетического ионизирующего излучения преимущественно используют высокоомные (>108 Ом • см) кристаллы, обычно компенсированные хлором [2]. Однако проводимость этих образцов необратимо увеличивается после их кратковременного прогрева даже при достаточно низкой (~150°С) температуре [3]. Альтернативными могут быть структуры с выпрямляющим барьером на основе более стабильного низкоомного материала, среди которых наиболее перспективными считаются поверхностно-барьерные диоды (ПБД) [4]. Потеря эффективности собирания носителей заряда при детектировании высокоэнергетических частиц может быть восполнена применением различных методов, которые детально рассмотрены в работе [1]. Одной из серьезных проблем при создании ПБД является сведение к минимуму числа дефектов на границе раздела выпрямляющего контакта с полупроводниковой подложкой. Указанные дефекты образуют поверхностные уровни, которые обычно служат эффективными центрами захвата или рекомбинации. Это в конечном итоге приводит к увеличению токов утечки и уровня шумов детектора, уменьшению напряжения пробоя, снижению временной стабильности и другим нежелательным эффектам. В связи с этим, первоочередной задачей является поиск путей, позволяющих устранить рассмотренные выше факторы.
Обратим внимание на то, что в подавляющем большинстве случаев выпрямляющий контакт создается при таких условиях, которые практически не изменяют свойства базовых подложек [5]. Это обстоятельство делает возможным оптими-
зацию технологии обработки полупроводниковых пластин еще до нанесения выпрямляющего контакта. Вполне понятно, что для контроля изменений необходимых параметров поверхности желательно использовать неразрушающие методы измерений. В данной работе изучается влияние термического отжига на физические свойства (главным образом, оптические и структурные) поверхностных слоев теллурида кадмия.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исходными подложками служили пластинки размером 4 х 4 х 0.5 мм, вырезанные из объемного кристалла CdTe. Последний был выращен методом Бриджмена и обладал при 300 К электронной проводимостью, а = 0.1-0.05 Ом-1см-1. Подложки последовательно проходили этапы механической шлифовки, полировки и химического травления в растворе состава К2Сг207 : Н20 : HNOз = 4 : 20 : 10, а также финишной отмывки в деонизованной воде на установке УЗДН-2Т [6]. В результате поверхность воспринимается зеркальной, и на таких образцах наблюдается фотолюминесценция (ФЛ). Отметим, что ФЛ свойственна также сколотым поверхностям и отсутствует у механически полированных пластин.
Для возбуждения люминесцентного излучения использовались Не-№- и ^-лазеры с длинами волн 0.63 и 0.337 мкм соответственно. Поскольку эффективная длина поглощения возбуждающего излучения в теллуриде кадмия 1е <105 см, то ФЛ генерируется практически в поверхностном слое. Поэтому интенсивность люминесценции в первом приближении можно считать обратно пропорциональной концентрации поверхностных дефектов N.... Поскольку последние обычно образуют нежелательные каналы рекомбинации в примесной области, то уменьшение N. должно приводить в первую очередь к росту эффективности краевого излучения. В дан-
йю, эВ
Рис. 1. Типичный спектр ФЛ подложки w-CdTe, отожженной при 500°С в течение 10 мин.
ной работе именно это обстоятельство использовано для контроля качества поверхности образцов, прошедших стадию термического отжига. Последний проводился на воздухе в температурном диапазоне 400-600°С с шагом 50°С. Время отжига изменялось в пределах 5-60 мин.
Необходимость структурных исследований обусловлена тем, что поверхность отожженных образцов, в отличие от исходных, визуально воспринимается матовой. Ее изучение проводилось с помощью атомно-силового микроскопа типа Nanoscope-Шa в режиме периодического контакта.
Спектры ФЛ измерялись на универсальной оптической установке, которая содержит дифракционный монохроматор МДР-23 и стандартную систему синхродетектирования. Данный комплекс позволяет производить автоматическую запись обычных и дифференциальных (режим ^-модуляции) спектров в широких спектральном и температурном диапазонах [7]. Спектры ФЛ скорректированы с учетом нелинейности измерительных трактов и построены в координатах "число фотонов в
единичном интервале энергий N - энергия фотона йю".
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Главной особенностью отожженных подложек является существенное изменение их люминесцентных параметров и характеристик. В первую очередь обращает на себя внимание появление в спектре ФЛ широкой бесструктурной полосы B с максимумом вблизи 2.2 эВ (рис. 1), что заметно больше ширины запрещенной зоны CdTe [1]. Слабая примесная полоса с йют ~ 1.4 эВ исходных подложек трансформируется в достаточно интенсивную полосу A, обусловленную межзонными переходами [8].
Исследования показали, что зависимости интенсивности I краевого излучения от температуры Ta и времени ta отжига имеют достаточно сложный характер. Вместе с тем, было обнаружено, что на характеристиках I(Ta) при Ta = const наблюдается максимум, абсолютная величина Imax которого наибольшая при ta ~ 10 мин [6]. На рис. 2а приведена типичная зависимость I(Ta) для одной из подложек «-CdTe, отожженной при Ta = 500°С. Последняя, как видно из рис. 26, близка к оптимальной. Обратим внимание на то, что качественно форма кривой I(Ta) при Ta = const практически не зависит от ряда важнейших параметров полупроводниковой подложки - величины и типа проводимости, а также типа и концентрации собственных и примесных точечных дефектов [6]. Отметим также, что указанные параметры влияют только на абсолютное значение интенсивности краевого излучения отожженных подложек теллурида кадмия.
Рассмотренные особенности люминесцентных свойств исследуемых образцов позволяют предположить, что они обусловлены именно изменениями параметров поверхности в процессе отжига. Это подтверждается, прежде всего, тем, что стравливание поверхностного слоя в полирую-
Рис. 2. Зависимости нормированной в максимуме интенсивности ФЛ от времени (а) и температуры (б) отжига подложек w-CdTe.
Рис. 3. АСМ-изображения поверхности подложек w-CdTe: исходной (а) и отожженных при 400 (б), 450 (в), 500 (г), 550 (д) и 600 (е) °С в течение 10 мин.
щем растворе восстанавливает излучательные свойства исходных подложек, т.е. резко уменьшается интенсивность краевого излучения и полностью исчезает видимая полоса В. Кроме того отметим, что операция отжига приводит к значительному снижению электронной проводимости (а < 10-5 Ом-1см-1) поверхностного слоя толщиной около 30 мкм [9], которая после его удаления увеличивается до объемной проводимости исходных кристаллов. Рассмотрим более детально микроструктуру поверхности.
Поверхность исходных подложек визуально воспринимается зеркальной, а ее микроструктура
является мелкозернистой и достаточно однородной (рис. 3 а и 4а). Термический отжиг образцов приводит к существенному изменению микрорельефа, что иллюстрируется изображениями, приведенными на рис. 3 и 4. Как следует из рис. 3, при Ta = const с увеличением времени отжига наблюдается укрупнение зерен, которые могут объединяться в более крупные субзерна. Обратим внимание на то, что при ta > 10 мин поверхность имеет тенденцию к формированию блочной структуры и резкому ухудшению оптических и электрических свойств. Для таких образцов характерно уменьшение эффективности краевой ФЛ, что подтверждается данными рис. 2а. Кроме того, вы-
0.5
Рис. 4. АСМ-изображения поверхности подложек и-СёТе: исходной (а) и отожженных при 500°С в течение 5 (б), 10 (в), 30 (г) и 60 (д) мин.
прямляющие контакты Аи-СёТе изготовлены на подложках, отожженных при 1а > 10 мин, имеют очень низкие значения тока короткого замыкания 4С и напряжения холостого хода УоС [10]. С другой стороны, наибольшей эффективностью фотопреобразования обладают поверхностно-барьерные структуры, созданные на подложках, отожженных при условиях, обеспечивающих также максимальную интенсивность ФЛ. Это подтверждает сделанное ранее предположение о корреляции излуча-тельных свойств с концентрацией поверхностных дефектов и правомерности выбранного метода для установления режимов минимизации дефектов.
Более плавный ход кривой I(Ta) при Ta = const (рис. 26) позволяет ожидать также более слабого изменения микрорельефа с температурой отжига, что не совсем согласуется с экспериментом, рис. 4. Как видно из топограмм, увеличение Ta приводит к укрупнению зерен, а начиная с Ta > 500°С - к появлению нанокристаллической структуры с латеральными размерами 10-50 нм. Именно эти нано-кристаллы, по-видимому, отвечают за формирование видимого излучения теллурида кадмия, поскольку при более низких температурах отжига 5-полоса не наблюдается. Кроме того, видимое излучение не может быть обусловлено пленкой оксида кадмия (возникновение которой вполне
возможно при проведении отжига на воздухе), поскольку в спектре 5-полосы имеются фотоны с энергией, заметно превышающей ширину запрещенной зоны СёО при 300 К [11]. В связи с этим рассматриваемая полоса ФЛ обусловлена, вероятнее всего, квантово-размерным эффектом в поверхностной нанокристаллической структуре теллурида кадмия. Подтверждением этого, кроме изложенного выше, служат также следующие экспериментальные ф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.