REVISTA MEXICANA DE FíSICA 44 SUllLEMESTO 3. 189-192

Análisis de las propiedades eléctricas de Hg1-xCdx Te (MCT)

DICIEMBRE 1998

M. Aguirre', H. Cánepaf y E. Heredia1Programa de Investigaciones en Sólidos del Consejo Nacional de Investigaciones Cient(ficas)' Técnicas

Instituto de Investigaciones Cielltfjicas y Técnicas di' las Fuerzas ArmadasZujriategui4380 Villa Marlelli. (1603) Pcia. de Buel/os Aires. Argel/lil/a

Recibido ellO de enero de 1998: aceptado el27 de febrero de 1998

Muchas propiedades de los materiales están dominadas por los defectos. De esta manera el procesamiento de los materiales requiere el controlde estos defectos durante diferentes tratamientos, tales como la difusión de impurezas dopantes en semiconductores, la creación de unionespor implantación iónica y la formación de aleaciones superficiales por el mismo método. El MCf es crecido en el PRINSO por el método deISOVPE (epitaxia en fase vapor isotérmica). La conversión de tipo]J a tipo 11 de las cpitaxias se realiza por implantación iónica. El origendel efecto del dopado no es aún claro. El dopado 11+ se obtiene mediante implantación iónica y las propiedades de estos sustratos dependenmuy poco de las condiciones de implantación y del ión utilizado. Esto destaca la importancia de los defectos producidos por radiación en losmecanismos de dopado. Se han utilizado para la implantaci6n iones de B++. Ar++. Au+. Pb+ Y Bi+. Se realizaron mediciones de efectoHall para evaluar las propicdades eléctricas.

Descriptores: Semiconductores 11-YI: HgCdTe; implantación iónica

Many properties of materials are detcrminalcd by defects. Thus the processing 01' materials requires the control of dcfecls during differenltreatment5, 5uch as diffusion 01'dopant impurities in semicondllclors. junclion creation by ion implantation and surfacc alloy formation bythe same melhod. :-otCTis grown at PRINSO by ISOYPE (isothermal vapor phase cpilaxy) method. Ion implantation is used to changc MCTlayers from p-type to ll-typc. The origin of doping cffcct is still not e1e,ir.The n+ doping is oblained after ion implantation and the propcrlies01' these layers depcnd slightly on the condilion of imptanlation and the ion lIscd. This poims out the importance uf radiatioll defc('ts inlhe doping mcchanisms. \Ve use Ij++. Ar++. Au+. Pb+ and Bi+ ions for implantation. Hallmcasurcmenls are cmployed to evalualc theelectrical properties.

Keywords: Semicondllctors JI-YI; HgCdTe: ionic implantation

PAes: 73.6IGa: 73.40.Lq: 85.40.Ri

1. IntroduccilÍn

La implantación iónica es un método ampliamcnte utiliza-do para la ohtcnción de uniones cn semiconductores [lJ. Elsemiconductor Hg1_xCd.r Te (MCT) es la alcación más im-portante actualmcnte para la Cahricación de detectores de in-frarrojo. cubriendo un rango espectral entre I y 25 JlIn. Sinembargo este material presenta numerosos prohlemas tec-nológicos para su producción. Su crecimicnlo es complejo,lo que lrae aparejado un elevado costo de los dispositivos.

Las últimas generaciones de detectores requieren queéstos sean fotovolraicos con un alto número tle pixeles enuna geometría muy reducida. Los arreglos lineales de 1'010-conductores o los diodos fotovoltaicos pueden ser realizadoscon cristales masivos, pero los arreglos más complejos de-ben ser fabricados sobre capas epitaxiales de MCT crecidassobre sustratos transparentes al IR. Muchas son las técnicasempleadas para ohtenercrccimienlos epitaxialcs (MBE, LPE.MOCVD, etc.). El MCT utilizado en cstc lrabajo fuc creciuoen los laboratorios uel PRINSO (CITEFA) por la técnica decrecimiento epitaxial en fase vapor isotérmica (IS0VPE) [2J.

La formación de uniones en MCT por cualquier técnica(difusión, heterounión o implantación) implica dificultades

que no aparecen en otros semiconductores. Esto se debe a lapresencia de impurezas y defectos eléctricamente activus y adesviaciones de la esteljuiometría.

Para diodos de geometría reducida la implantación iónicaes la que mejor se adapta al problema de rnicroestructuras ya las técnicas de enmascaramiento desarrolladas en microe-lectrónica. Los primeros estudios que tratan la implantaciónen MCT prueban que los daños por radiación son los más im-portantes para la formación de la unión. Una zona r¡+ fuerte-mente dopada es obtenida en todos los casos. sin recocidos,independientemente de la naturaleza dcl ion implantado [3].

2. Parte experimental y resultados

Las mueslras de MCT empleadas fueron crecidas en el PRIN-SO por el métouo denominado ISOVPE. En el mismo. seutilizan monocristales de CdTc como sustratos con distinlasorientacioncs y HgTe policristalino. crecido en el laboratorio.como material Cuente.

El crecimiento se produce por el transporte de Hg y Te2desde la fuente hacia el sustrato en régimen isotérmico y laposterior interdifusión entre el Hg y el Cd dentro de la capaepitaxial [2J.

190 M. AGUIRRE, H. CÁNEPA y E. lIERElJIA

TABLA 1. Resistividad y densidad de portadores para muestras de t\1CT pre y JXlst implantadas con diferentes orientaciones.

Muestra

53

586264

71

72

75

Resistividad (Qcm) Densidad de Portadores (cm-3)

Orientación Prc-implantadas Post-implantadas Prc-implantadas Post-implantadas

( 111) 0.32 006 4.07x 1016 I.R8x 10ló

(111 ) 0.88 0.09 3.70x 1016 1.92x lOt6

(110) 0.24 0.13 6.42x 1016 J.I6x101ó

(110) 0.16 0.18 7.36x 1016 3_~8x 1016

( 1<X» 0.22 0.13 3.6..tx 1016 Il.S3x 1015

(110) 0.22 0.15 1.93x 1010 3.48 x 1016

(110) 0.31 0.15 1.73 x 10" 4.15xlO16

TABLA 11. Concentración superficial de electrones, movilidad efectiva y conuuclancia supcrticial para muestras implantadas de MCf condiferentes iones.

Muestra

535862

64

71

72

75

Energía de

implantación(keV)

2.0x 102

2.0x \O'

3.0x 10'

3.8x 10'3.0x 102

3.8x lO'

3.8x lO'

Dosis

(ioncs/cm2)

1.0x 1014

1.0x 1015

I.Ox 1015

I.Ox lOH

1.0x 1015

1.0x 1014

1.0x 101.\

Ión

B++

B++

Ar++

Bi+

Ar++

Ph+-

Concentración

superficial de electrones

(1/cm')

1.27 x \O"

l.S6x 1014

2.29x 1013

3.44x 1013

1.02 x 1013

2.64 x 1014

1.07x 1011

Movilidad

efectiva

(cm2/Yscg)

6.66x \03

4.05x 103

8.09x 103

1.55x103

1.69 x 104

4.()()X 102

I.S2x 103

Conductancia

superficial

(mho)

1.36 x 10-1

1.01 x \0-1

326x 10-'

8.54x \0-3

2.7Rx \0-'

1.95 xl O-:.l

J.14xIO-l

La composición superfkial de las capas epitaxiah:s creci-das es controlada ajustando las temperaturas y las presionesparciales adecuadas. La misma fue analizada por microson-da electrónica dispersiva en energías (EDAX), resultando .¡-

variable entre 0.17 y 0.24 en el conjunto de muestras.

Se efectuaron las mediciones Hall previas a la implanta-ción. Las implantaciones con iones B++ y Ar++ fueron rea-lizadas en el implantador iónico dcl Departamento de Físicadel TANDAR (eNEA). mientras que las implantaciones conAu+, Pb+ Y Bi+ se realil.aron en el implantador pertene-ciente al Instituto de Física de la Universidad de Río Gran-de Do Sul (Porto Alegre-Ilrasil). Las dosis variaron desde1.0 x 1014 iones/cm2 hasta 1.1 x 1015 iones/cm2. La corrientedel haz fue menor que 0.5 J1.A para evitar el calentamiento dela superficie de la muestra y posibles variaciones de la estc-quiometría. Los iones implantados fueron: boro. con energíade 200 keY. argón. con energra de 300 keV y bismuto. plomoy oro con energía de 380 keV.

Se realizaron medidas de la conductividad específica yefecto Hall por el método de Van der Pauw. Se utilizó la for-mulación de doble capa de Pelritz [4J para determinar la con-centración de portadores mayoritarios de la capa implantaday su conductancia. Estos resultados se muestran I:n las Ta-blas I y 1I.

La Fig. l presenta los rcsultados de la conductancia su-perficial cn función dc la dosis de implantación, obtenidos apartir de la concentración superficial de portadorl:s (Fig. 2) Yde la movilidad efectiva de los mismos (Fig . .3).

3. Estudio de propiedades eléctricas en mues-tras implantadas con 8++ en función de ladosis

Se eligió el B++ tomando en cuenta los resultados anteriores,ya que se observa una mayor conductividad específica paraeste ión que para el resto. Se empIcaron muestras de MCTcon orienlaeión (111) crecidas en el PRINSO por ISOV-PE. con composición .r variable enlre 0.19 y 0.23. Lasmuestras fueron implantadas en dosis que variaron desde1.0 x 1011 i0l1cs/cm1 hasta 1.1 x 101.5 ioneslcm2.

Las Figs. 4 y 5 muestran la conductividad cspecílka y laconcentración superficial de electrones. respcctivamente. enfunción de la dosis. Para dosis de implantal"ión inferiores a1011 iones/cm1 no se observa cambio en el lipa de porl¡¡(lo~res, mientras que para dosis superiores a lUl:~ioneslclll:.! sealcanza un nivel de saturación.

R('I'. M(>x. Fú . ..w S3 (199X) 1X9-192

ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE Hg,_,Cd, Te (MCT) 191

OH

H

,° :-r-"RI

0.14fo""~ 01¡¡:•wo ••~.006

~004

5002

8 o

° 5E+'4 lE+15DOSIS (iooeSlcm2)

15E+15 'E'" 'E'1j 'E".DOSIS (ioneslcm2)

FIGURA 1. Conduclancia supcrlicial en función de la dosis de im-plantación para diferentes iones_

FIGURA 4. Conductancia superficial en función de la dosis de illl-plantaci6n par<! muestras de MCr implantadas con B++.

FIGURA 2. Concentración superficial de electrones en función dela dosis de implantación para diferentes iones.

.Pb

.HIl.:\u

. NBi :,.

FIGURA 5. Concentración electrónica superficial en funciónde la dosis de implantación para muestras de "fCf implantadasconR++.

lE16lE12 lE13 lE14 1E15DOSIS (iones/cm2)

",lE15

!u.

~1E14¡;¡gm1E13~m~lE12

1E1115E50E+14 10E+15DOSIS (IOnesJcm21

30E.t4NE~ 2,SE"'4~ffi 20E.14~

'"~ 15E+14

~w 1DE.,.

~~ 50E+13au OOE+OO

o oe+oo

FIGURA 3. Movilidad efectiva en función de la dosis de implallla.ci6n para diferentes iones.

• La capa implantada con B++, para distintas dosis. pn: .scnta ulla mayor conductancia que para los otros ionesimplantados (ver Fig. 1).

• En implantaciones hechas con Ar++ se produce unaalta movilidad pero una concentración superlicial baja,con lo cual su conductancia superficial es pohre.

• La muestra implantada con Ph+ presenta una concen-tración superficial alta. Su movilidad efectiva es muyhaja dando una conductancia superficial baja.

15E+1550E+'4 10E+1S00515 (lon(>S/cm2)

,v.,.

H..":\u .

• ni° ocQoe .•oo

OOE+OO

~~ 15E+04

.2-~~ 10E+04~w

Qg 50E .•03

~

20e+04

4. Conclusiones

La implantación iónica permitió la formación de uniones nsobre p en MCT con una región n fuertemente dopada, C0l110

se comprohó mediante la caracterización eléctrica. Los resul-tados ohtenidos sobre capas cpitaxialcs crecidas por [SOVPEconcuerdan con resultados de la literatura ohtenidos en mate-riales crecidos por otras técnicas [3.5).

Como resultado de las implantaciones efectuadas con di-ferentes iones se puede destacar:

• En el caso del Au+ se combinan una concentración su-perficial intermedia con una baja movilidad. lo que dacomo resultado una baja conductancia.

• Las implantaciones hechas con Bi+ presentan baja COII-

centración superficial y baja movilidad efectiva.

De lo expresado se concluye que. dentro de los iones es-tudiados. las muestras implallladas con B++ presentan mejo-res propiedades eléctricas. El método es repetitivo y aseguraresultados controlables en todos los casos.

/lev. Mex. PÚo -l4 S3 (1998) 189-192

192 M. AGUIRRE. H, CÁNEPA y E, HEREDIA

Agradecimientos

Al doctor Moni Behar del Departamento de Física de la Uni-versidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasilpor su colaboración y asistencia técnica en la implantación

iónica. Los autores agradecen también al doctor Alberto Filc-vich y allng. Javier Fernándcl. por su asistencia en la implan-tación iónica en TANDAR, Comisión Nacional de EnergíaAtómica.

l. J. Marincel al .. AClaEleclróflica 19(1976) 161.

3. G. L. Dcstefanis. Nuclear blSlruments Qlld MethodJ (209/210)(1983) 5~7.

Programa de Investigaciones en Sólidos (PRINSO)-Estudiante delDoctorado (Universidad de Buenos Aires).

2.t Programa de Investigaciones en Sólidos del Consejo Nacional de

Investigaciones Científicas y Técnicas. Instituto de Investigacio-nes Científicas y Técnicas de las Fuerzas Armadas (PRINSO-CONICET.CITEFA).

H. Cáncpa. E. Heredia e l. Niillmann. Aflales AFA I (1990) 95.

Programa de Investigaciones en Sólidos-Instituto de Invesligacio- 4. R. L. Pelrill.. Phys. Rel'. 110 (1958) 1254.nes Científicas y Técnicas de las Fuerzas Armadas (PRINSO-ClTEFA). 5. 1.O. Buhulac, 1. Crystal Grow¡h 86 (1988) 723.

Re\'. Mex. Fís. 44 53 (1998) 189-192