Специфика дефектообразования в детекторах на основе теллурида кадмия при импульсном тепловом воздействии

Аэрокосмическая сфера, активно развивающаяся в настоящее время, всё чаще сталкивается с нестандартными задачами, возникающими в результате работы приборов и устройств в экстремальных условиях при импульсном тепловом и радиационном воздействиях или возникновении чрезвычайных ситуации, например, пожаров и взрывов.

В качестве приборов для регистрации импульсов определенного рода излучений используются детекторы на основе теллурида кадмия [1; 2]. При определенных обстоятельствах температура в зоне работы оборудования может достигать огромной величины, приводящей к деградации материалов и впоследствии выходу из строя приборов и устройств. Достаточно хорошо известно, что воздействие инфракрасного излучения на кристаллический материал приводит к образованию и развитию в нем дефектной структуры, эволюция которой влечет изменение физико-химических свойств. Точечные дефекты под воздействием внешних факторов могут образовывать кластеры, формирующие объемные дефекты, что с одной стороны может привести к быстрому разрушению материала, но с другой до определенного момента позволяет противостоять этому. Отдельные вопросы формирования и эволюции дефектов в полупроводниках описаны ранее в работах [3–7].

Рассмотрим чрезвычайную ситуацию, при которой детектор на основе теллурида кадмия (CdTe) подвергается воздействию экстремально высоких температур 1000 ºС. Ввиду того что температура плавления CdTe составляет 1092 ºС и указанное ранее тепловое воздействие для данного полупроводника является критическим, интересным представляется предел его устойчивости в цельнокристаллических и тонкопленочных образцах.

Целью исследования является более качественное понимание процессов дефектообразова-ния, приводящих к деградации теллурида кадмия при кратковременном импульсном тепловом воздействии с нагреванием до 1000 ºС.

Материалы, методы и практические результаты

В качестве объекта исследования был взят теллурид кадмия – прямозонный полупроводник группы AIIBVI, один из перспективных и активно применяющихся материалов микроэлектроники. Основные свойства исследуемого материала представлены в табл. 1.

Таблица 1

Некоторые физико-химические свойства теллурида кадмия [5; 8; 9]

Плотность	5,85 г/см3
Температура плавления	1092 ºС
Растворимость в воде и др. растворителях	нерастворимый
Кристаллическая структура	кубическая, сфалерит (цинковая обманка)
Параметр решётки	0,648 нм
Коэффициент Пуассона, ν	0,41
Модуль сдвига	9,2 ГПа
Энергия дефекта упаковки	11±1,9 мДж/м2
Пожаровзрывобезопасность	негорючий

Образцы CdTe были подвергнуты импульсному воздействию с теплодозой приблизительно 1000 ºС в течение не более 10 с, имитирующему экстремальную ситуацию короткого замыкания вблизи детектора или прямое нагревание солнечными лучами. Внутренний вид установки и процесс теплового воздействия представлен на рис. 1.

Рис. 1. Экспериментальная установка и процесс имитации импульсного теплового воздействия

Fig. 1. Experimental setup and process of simulating pulsed thermal action

Экспериментальная часть исследования дополнительно включала электронномикроскопические исследования образцов, подвергшихся воздействию импульсного инфракрасного излучения для определения плотности дефектной сети, типов дефектов, их кластеров и прочих повреждений. Полученные результаты показали наличие значительной плотности дефектов во всех образцах до 1019 см–3. При этом в тонкой пленке CdTe плотность дефектов была ниже. Дефекты были представлены преимущественно вакансиями и междоузельными атомами, дислокациями и дислокационными петлями, а также дефектами упаковки (рис. 2). Дополнительная информация о пробоподготовке образцов и исследованию на просвечивающем электронном микроскопе представлена в [5; 10; 11].

Рис. 2. Формирование дефектов в теллуриде кадмия после кратковременного теплового воздействия

Fig. 2. Formation of defects in cadmium telluride after short-term thermal exposure

Модель образования дефектов в теллуриде кадмия при импульсном тепловом воздействии

Теоретическая работа была основана на доработке математической модели физикохимических превращений в CdTe при импульсном воздействии инфракрасного излучения с амплитудой 1 000 Сº в течение не более 10 с. Моделирование импульса осуществлялось формулой (колокол Гаусса): T = 27 ° C + A ■ exp( - 1 ²), где А = 1 000 С°. Расчет производился с помощью математического пакета Maple.

В основу усовершенствованной модели физико-химических превращений в полупроводниках под действием теплового излучения легла система модифицированных уравнений эволюции концентраций структурных точечных и сдвоенных дефектов:

д n _ _ d2 n\

— = P + D I д“у - c о R ( nv + 2 nw - 2 vm ) - 2 c ₀ A I ( n ² + nm ) + 2 Pm ,

д vд

— = P + D_V д—^- - c ₀ R ( nv - 2 nw + 2 vm ) - 2 c ₀ A V ( v ² + vw ) + 2 Pw,

— = c0AI (n2 - 2nm)- 2c0Rvm - Pm,(3)

д w     j\ „ n

— = c ₀ AV ( v - 2 vw ) - 2 c ₀ Rnw - Pw ,

где t – время; z – расстояние от поверхности до середины пленки (толщина пленки равна 200 нм). Для эффективных концентраций введены следующие обозначения: C I и C V – концентрации междоузельных атомов и вакансий; C m и C w – концентрации димеждоузлий и дивакансий; c ₀ – концентрация узлов идеальной решетки теллурида кадмия. Результаты расчетов представлены в терминах относительных концентраций: n = C I I c ₀, v = C_V / c ₀, m = C m I c ₀, w = C W / c ₀. Обозначения для параметров модели: D I и D V – коэффициенты диффузии (миграции) междоузель-ных атомов и вакансий; А I и А V – коэффициенты агломерации (присоединения) междоузельных атомов и вакансий, соответственно; R – коэффициент рекомбинации; Р – коэффициент диссоциации решетки кристалла, отвечающий эффективной энергии теплового рождения пар Френкеля E_P .

Все перечисленные коэффициенты выражаются через энергии активации реакции как

( R , A I , A_V ) = a ³v ■ exp

I- 1 ( E R ’ E i ’ E v ) 1 ’ \ kT              J

( D I , D V ) = a 2 ^V ■ exp I ^- TV ( E Im , E Vm ) \ kT

= V- ^exp I ^-

P здесь V - частота колебаний кристаллической решетки; а - постоянная решетки; к - постоянная Больцмана; Т – температура. Для решения уравнений необходимо учитывать диффузию, влияющую на тонкие плёнки значительнее, чем на макроскопические образцы. Численные значения параметров, используемых в выражениях (1)–(7) представлены в табл. 2.

Таблица 2

Численные значения ряда параметров кристалла CdTe [5; 6; 12–15]

Im	EVm	E I	E V	E R	E P	c 0	V	a
эВ	эВ	эВ	эВ	эВ	эВ	см-3	Гц	нм
0,32	0,6	0,45	0,5	0,25	1,4	1,5∙1022	1013	0,648

Решение уравнений (1)–(7) представлены на рис 3.

Рис. 3. Зависимость концентраций точечных дефектов (вакансий и междоузлий) от времени и расстояния от поверхности до середины кристаллической пленки при кратковременном тепловом воздействии с амплитудой до 1000 °С

Fig. 3. Dependence of concentrations of point defects (vacancies and interstitials) on time and distance from the surface to the middle of the crystalline film under short-term thermal exposure with an amplitude of up to 1000 °С

Полученные результаты (рис. 3) показывают хорошую согласованность с экспериментальными данными. Безусловно, высокие температуры, даже действуя кратковременно на теллурид кадмия, приводят к взрывному росту и эволюции дефектной сети с концентрацией порядка 1019 см–3 и последующим разрушением материала. Однако исследования показывают, что тонкопленочные образцы CdTe имеют тенденцию к более скорому остыванию и снижению концентрации точеных дефектов вследствие выхода части из них на поверхность, что уменьшает вероятность объединения в кластеры.

Заключение

Проведено комплексное исследование импульсного теплового воздействия на детектор, состоящий из теллурида кадмия. Рассмотрено повышение температуры детектора от 27 до 1027 ºС. Причиной нагревания может служить воздействие солнечных лучей, инфракрасное излучение при коротком замыкании вблизи детектора, прямое нагревание детектора при скачках напряжения в сети питания, импульсное радиационное воздействие. Исследование показало, что кристаллический материал в таких экстремальных условиях быстро деградирует вследствие стремительной эволюции дефектной сети. При этом тонкопленочные образцы CdTe более устойчивы к импульсному тепловому воздействию, а оборудование на их основе способно сохранять рабочее состояние значительно дольше.

Математическая модель, на основе которой получены численные результаты, является хорошим дополнением (в качестве начального условия) к моделям, описывающим эволюцию точечных дефектов при ионизирующем облучении.