HgCdTe is the most generally used material for detecting infrared because of its capability of tailoring bandgap energy for the detecting wavelength by controlling the composition, a large electron mobility, and high normalized detectivity.
This thesis describes the process of developing HgCdTe photovoltaic photodiode from 1990 to 1995. The characteristics of devices fabricated in early days showed increasing reverse bias leakage current with decreasing temperature and saturated RoA value at low temperature. As a method to find the sources of leakage current, current modeling was performed which includes diffusion current, generation current, direct tunneling current, and trap assisted tunneling current. The leakage current modeling can be well coincident with the leakage current of fabricated photodiodes. It is noteworthy in the leakage current modeling that the trap assisted tunneling current is dominant leakage current term in the substrate of which concentration is higher than $1 \times 10^{16} / cm^3$. From this result, devices with good characteristics could be fabricated by using the wafers with low carrier concentration and by decreasing the process temperature. To eliminate the problem of increased carrier concentration by vaporizing Hg from the wafer, decreasing process temperature is needed.
In order to develop device with good characteristics, various test processes have been done. One of method to see the effects of those test processes on the HgCdTe device is measuring the minority carrier diffusion length. A new method for measuring the steady - state effective minority carrier diffusion length is proposed in this thesis. The diffusion length is extracted by means of measuring photocurrents which reduce exponentially with the distance between the junction edge and the region into which the environmental infrared penetrates. The region exposed to infrared radiation can be defined by the shape of the optical shadow mask (OSM). When the thickness of the OSM is not so thick enough comparing with the skin depth of metal, a portion of infrared ray penetrates the OSM metal and generates a photocurrent component. IR transmittance as a function of the thickness of the OSM can be measured by FTIR. And the ratio of the infrared penetrating through OSM to the infrared radiating over the OSM can be obtained from the extracted diffusion length. By comparing the above two values, the validity of extracted diffusion length was checked.
For any dielectric film deposited on the HgCdTe surface, there is the tendency of the electrically active defects being formed in the interface region during the passivation process because of the nature of compound semiconductor, the difference in chemical properties of the constituents, and the extreme temperature sensitivity of bare HgCdTe surface. Therefore, a special process step for insulator / HgCdTe interface treatment is required in order to reduce the inevitable defects formed at the interface during the passivation process. From this point of view, ZnS / HgCdTe interface was hydrogenated by electron cyclotron resonance (ECR) $H_2$ plasma. The hydrogenated photodiodes showed increased photocurrents, improved ideality factor, and higher RoA. And the steady - state minority carrier diffusion length is increased from 19 μm to 28 μm by the hydrogenation. The results of hydrogenation in FET, the leakage current of the FET in hydrogenated region is found to be lower by a order of magnitude than that of the FET in unhydrogenated region. However, any difference of surface mobility was not seen between hydrogenated FETs and unhydrogenated FETs. From those facts, we believe that the ECR hydrogenation can effectively reduce the surface trap states which result in increasing the minority carrier life time and thereby improving the characteristics of HgCdTe devices.
본 논문은 1990년에서 1995년까지의 광전압형 HgCdTe광다 이오드 개발과정을 기술하였다. 개발 초기에 제작된 소자는 측정 온도가 낮아질수록 역 방향누설전류가 크고, 또한 영전위에서의 동저항값도 포화된다. 이러한 역방향누설전류의 원인을 밝혀내는 방법의 하나로 확산전류, 생성 전류, 직접 터널링 전류에 간접 터널링전류 항이 포함된 누설전류모델링을 수행했고, 실제 제작된 전압전류 특성곡선과 잘 일치시킬 수 있었다. 이 누설전류 모델링에서 특히 주목되는 사실으로서 기판의 농도가 $1\times10^{16}/cm^3$이상이면 간접 터널링에 의한 누설 전류가 큰 영향을 나타내므로, 특성이 우수한 소자를 제작하기 위해서는 농도가 이 이하 인기판을 사용해야 한다는 것이다. 또한, 그러한 기판을 사용하였더라도 공정도중열에 의하여 수온이결정에서 이탈하여 농도가 증가하는 것을 방지하기 위해서 낮은 온도에서 모든 공정을 수행할 수 있는 공정 개발이 요구되었고, 초기세척, 절연층 증착온도등 모든 제작온도를 낮춤으로써 특성이 우수한 소자를 제작할 수 있었다.
성능 좋은 소자를 개발하기 위해서 여러 가지 시험공정을 수행하는데 이러한 시험 공정이 소자의 특성에 미치는 영향을 조사하는 방법 중의 하나가 소수 운반자 확산거리를 측정하는 것이고 이 소수운반자확산거리를 측정하는 새로운 방법을 제시하였다. 적외선 감지소자는 전압전류 특성측정시에도 주변에서 발생하는 적외선이 입사되어 광전류가 발생한다. 이러한 적외선의 입사 위치를 Optical shadow Mask(OSM)를 사용하여 결정할 수 있다. 소자에서 발생하는 광전류는 p-n접합에서 적외선이 입사하는 영역까지의 거리에 의하여 변화하고, 이 전류의 변화량을 측정하여 소수운반자 확산 거리를 추출할 수 있다. 또한 OSM금속의 두께가 skin depth보다 크게 두껍지 않으면 일부 적외선이 OSM을 통과하여 광전류를 발생시킨다. OSM의 두께에 따른 적외선의 투과도를 광학장치를 이용하여 측정하고 또한 이 OSM을 투과한적외선에 의하여 발생한 광전류를 추출된 소수 운반자 확산거리를 이용하여 구할 수 있다. 이 두 값을 비교하는 방법으로 추출된 소수운반자 확산거리의 신뢰성을 확인하였다.
HgCdTe는 각원소 사이에 화학적 성질이 다른고 열에 매우 약해 초기 세척과 표면 보호막을 형성하는 과정에서 많은 격자 결함을 발생시킨다는 보고들이 많다. 따라서 이러한 결함을 줄일 수 있는 공정이 요구되고 이러한 관점에서 전자 자기 공명 장치를 이용하여 HgCdTe와 ZnS계면을 수소화 처리했다. 수소화 처리 결과로 다이오드에서 광전류가 증가하고 ideality factor가 개선되고, 영전위에서의 동저항 값을 높일 수 있었다. 또한, 소수 운반자 확산거리가 19㎛에서 28㎛로 증가되었다. HgCdTe MIS FET에서의 수소화 처리 결과로 문턱전압 이하에서는 누설 전류가 감소했고 반면에 표면 이동도의 변화는 관찰되지 않았다. 이상의 결과에서 SRH 재결합 기구가 지배적인 영향을 미치는 HgCdTe소자에서는 수소화 처리가 HgCdTe와 ZnS사이의 계명에 결함을 줄여서 운반자 수명 시간을 증가시키고 그결과로 소자의 특성이 개선되었다고 생각한다.
