Оптические свойства эпитаксиальных пленок HgCdTe, легированных мышьяком

Ружевич М.С., Мынбаев К.Д., Фирсов Д.Д., Комков О.С., Варавин В.С., Ремесник В.Г., Якушев М.В.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Ружевич М.С., Мынбаев К.Д., Фирсов Д.Д., Комков О.С., Варавин В.С., Ремесник В.Г., Якушев М.В. Оптические свойства эпитаксиальных пленок HgCdTe, легированных мышьяком // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 5. С. 33–42. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-05-33-42

Ruzhevich M.S., Mynbaev K.D., Firsov D.D., Komkov O.S., Varavin V.S., Remesnik V.G., Yakushev M.V. Optical properties of HgCdTe epitaxial films doped with arsenic [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 5. P. 33–42. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-05-33-42

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Эпитаксиальные пленки твердых растворов Hg0,7Cd0,3Te, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии и легированные мышьяком, для получения дырочного типа проводимости с целью формирования электронно-дырочных переходов для изготовления фотоприемных структур инфракрасного диапазона. Цель работы. Определение видов и характеристик дефектов, формирующихся при легировании мышьяком эпитаксиальных пленок твердых растворов Hg0,7Cd0,3Te, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, и установление влияния легирования на разупорядочение твердого раствора. Методы. Эллипсометрия, оптическое пропускание, фотолюминесценция, фотоотражение. Основные результаты. В отношении объема и поверхности пленок показано высокое исходное качество материала и его дальнейшее улучшение в результате двухстадийного активационного термического отжига. Установлен факт активации мышьяка с формированием мелких акцепторных уровней (глубиной 7–8 мэВ) в результате проведения отжига. Зафиксировано отсутствие побочных дефектов в результате введения мышьяка в исходные пленки и в ходе отжига. Практическая значимость. Показана эффективность легирования эпитаксиальных пленок твердых растворов Hg0,7Cd0,3Te мышьяком как акцепторной примесью для создания слоев с дырочной проводимостью при изготовлении фотодиодных структур.

Ключевые слова:

теллуриды кадмия-ртути, легирование, фотолюминесценция, фотоотражение

Коды OCIS: 120.7000, 250.5230, 260.3060

Список источников:

1. Kopytko M., Rogalski A. New insights into the ultimate performance of HgCdTe photodiodes // Sensors and Actuators: A. Physical. 2022. V. 339. P. 113511. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113511
2. Garland J.W., Grein C., Sivananthan S. Arsenic p-doping of HgCdTe grown by Molecular Beam Epitaxy (MBE): A solved problem? // J. Electron. Mater. 2013. V. 42. № 11. P. 3331–3336. https://doi.org/10.1007/s11664-013-2739-0
3. Gemain F., Robin I.C., Brochen S., et al. Arsenic complexes optical signatures in As-doped HgCdTe // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 102. № 14. P. 124104. https://doi. org/10.1063/1.4801500
4. Tsen G.K.O., Sewell R.H., Atanacio A.J., et al. Incorporation and activation of arsenic in MBE-grown HgCdTe // Semicond. Sci. Technol. 2008. V. 23. № 1. P. 015014. https://doi.org/10.1088/0268-1242/23/1/015014
5. Zandian M., Chen A.C., Edwall D.D., et al. p-type arsenic doping of Hg1–xCdxTe by molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. 1997. V. 71. № 19. P. 2815–2817. https://doi.org/10.1063/1.120144
6. Selamet Y., Grein C.H., Lee T.S., et al. Electrical properties of in situ As doped Hg1–xCdxTe epilayers grown by molecular beam epitaxy // J. Vac. Sci. Technol. B. 2001. V. 19. № 4. P. 1488–1491. https://doi. org/10.1116/1.1374628

7. Wang H., Hong J., Yue F., et al. Optical homogeneity analysis of Hg1–xCdxTe epitaxial layers: How to circumvent the influence of impurity absorption bands? // Infr. Phys. Technol. 2017. V. 82. P. 1–7. http://dx.doi.org/10.1016/j.infrared.2017.02.007
8. Shao J., Chen L., Lü X., et al. Realization of photoreflectance spectroscopy in very-long wave infrared of up to 20 μm // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. № 4. P. 041908. https://doi.org/10.1063/1.3193546
9. Ikonnikov A., Rumyantsev V., Sotnichuk M., et al. Photoconductivity spectroscopy of arsenic-related acceptors in HgCdTe // Semicond. Sci. Technol. 2023. V. 38. № 8. P. 085003. https://doi.org/10.1088/1361-6641/acda58
10. Robin I.C., Taupin M., Derone R., et al. Photoluminescence studies of arsenic-doped Hg1–xCdxTe epilayers // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. № 20. P. 202104. https:// doi.org/10.1063/1.3263146
11. Yue F., Chu J., Wu J., et al. Modulated photoluminescence of shallow levels in arsenic-doped Hg1–xCdxTe (x  0.3) grown by molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. № 12. P. 121916. https://doi. org/10.1063/1.2903499
12. Yue F.-Y., Chen L., Li Y.-W., et al. Influence of annealing conditions on impurity species in arsenic-doped HgCdTe grown by molecular beam epitaxy // Chinese Physics B. 2010. V. 19. № 11. P. 117106. https://doi.org/10.1088/1674-1056/19/11/117106
13. Murawski K., Majkowycz K., Kopytko M., et al. Photoluminescence study of As doped p-type HgCdTe absorber for infrared detectors operating in the range up to 8 μm // J. Electron. Mater. 2023. V. 52. № 11. P. 7038–7045. https://doi.org/10.1007/s11664-023-10516-5
14. Ruzhevich M.S., Mynbaev K.D. Photoluminescence in mercury cadmium telluride — a historical retrospective. Part II: 2004–2022 // Reviews on Advanced Materials and Technologies. 2022. V. 4. № 4. P. 17–38. https://doi.org/10.17586/2687-0568-2022-4-4-17-38
15. Chen X., Wang M., Zhu L., et al. Mid-infrared modulated photoluminescence mapping to investigate in-plane distributions of bandedge transitions in Asdoped HgCdTe // Appl. Phys. Lett. 2023. V. 123. № 15. P. 151105. https://doi.org/10.1063/5.0164195
16. Войцеховский А.В., Дзядух С.М., Горн Д.И. и др. Состояние исследований в области создания униполярных барьерных структур МЛЭ n-HgCdTe со сверхрешетками в качестве барьера // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 2. С. 6–22. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-02-6-22 Voitsekhovskii1 A.V., Dzyadukh S.M., Gorn D.I., et al. State of research in the field of creating unipolar barrier structures of n-HgCdTe MBE with superlattices as a barrier // J. Opt. Technol. 2024. V. 91. № 2.
17. Сидоров Г.Ю., Михайлов Н.Н., Варавин В.С. и др. Исследование влияния температуры крекинга мышьяка на эффективность его встраивания в пленки CdHgTe в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии // Физика и техника полупроводников. 2008. Т. 42. Вып. 6. С. 668–671. Sidorov G.Yu., Mikhaĭlov N.N., Varavin V.S., et al. Effect of the arsenic cracking zone temperature on the efficiency of arsenic incorporation in CdHgTe films in molecular–beam epitaxy // Semiconductors. 2008. V. 42. № 6. P. 651–654. https://doi.org/10.1134/ S1063782608060043
18. Швец В.А., Марин Д.В., Ремесник В.Г. и др. Параметрическая модель спектров оптических постоянных Hg1–xCdxTe и определение состава соединения // Опт. и спектроск. 2020. Т. 128. Вып. 12. С. 1815–1820. https://doi.org/10.21883/OS.2020.12.50315.349-20 Shvets V.A., Marin D.V., Remesnik V.G., et al. Parametric model of the optical constant spectra of Hg1–xCdxTe and determination of the compound composition // Opt. and Spectrosc. 2020. V. 128. № 12. P. 1948–1953. https://doi.org/10.1134/S0030400X20121042
19. Izhnin I.I., Mynbaev K.D., Voitsekhovsky A.V., et al. Background donor concentration in HgCdTe // OptoElectronics Rev. 2015. V. 23. № 3. P. 200–207. https:// doi.org/10.1515/oere-2015-0029
20. Комков О.С., Якушев М.В. Фотомодуляционная оптическая спектроскопия варизонных гетероструктур CdHgTe // Физика и техника полупроводников. 2023. Т. 57. Вып. 6. С. 426–431. https://doi.org/10.21883/FTP.2023.06.56469.33k Komkov O.S., Yakushev M.V. Photomodulation optical spectroscopy of CdHgTe graded band gap heterostructures // Semiconductors. 2023. V. 57. № 6. P. 414–419.
21. Ружевич М.С., Мынбаев К.Д., Баженов Н.Л. и др. Оптические свойства и разупорядочение плёнок HgCdTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 2. С. 23–33. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-02-23-33 Ruzhevich M.S., Mynbaev K.D, Bazhenov N.L., et a. Optical properties and disorder of HgCdTe films grown by molecular beam epitaxy // J. Opt. Technol. 2024. V. 91. № 2.
22. Ружевич М.С., Фирсов Д.Д., Комков О.С. и др. Фотолюминесценция эпитаксиальных пленок Cd0.3Hg0.7Te, легированных мышьяком // Физика и техника полупроводников. 2023. Т. 57. Вып. 6. С. 491–494. https://doi.org/10.21883/FTP. 2023.06.56479.5375 Ruzhevich M.S., Firsov D.D., Komkov O.S., et al. Photoluminescence of arsenic doped epitaxial films of Cd0.3Hg0.7Te // Semiconductors. 2023. V. 57. № 6. P. 484–487.
23. Becker C.R., Latussek V., Pfeuffer-Jeschke A., et al. Band structure and its temperature dependence for type–III HgTe/Hg1–xCdxTe superlattices and their semimetal constituent // Phys. Rev. B. 2000. V. 62. № 15. P. 10353. https://doi.org/10.1103/PhysRevB. 62.10353
24. Majkowycz K., Murawski K., Kopytko M. New insight into defect energy levels in HgCdTe // Infr. Phys. Technol. 2024. V. 137. P. 105126. https://doi.org/10.1016/j. infrared.2024.105126
25. Swartz C.H., Tomkins R.P., Giles N.C., et al. Fundamental material studies of undoped, In-doped, and Asdoped Hg1–xCdxTe // J. Electron. Mater. 2004. V. 33. № 6. P. 728–736. https://doi.org/10.1007/s11664-004-0074-1
26. Motyka M., Sęk G., Janiak F., et al. Fourier-transformed photoreflectance and fast differential reflectance of HgCdTe layers. The issues of spectral resolution and Fabry–Perot oscillations // Measurement Sci. and Technol. 2011. V. 22. № 12. P. 125601. https://doi.org/10.1088/0957-0233/22/12/125601
27. Shao J., Chen L., Lu W., et al. Backside-illuminated infrared photoluminescence and photoreflectance: Probe of vertical nonuniformity of HgCdTe on GaAs // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 96. № 12. P. 121915. https://doi.org/10.1063/1.3373595