Influencia de la impurificación en la energía de activación térmica

Revista Colombiana de Física, vol.
, No.
de 20
Influencia de la impurificación en la energía de activación térmica
de defectos profundos para el GaAs:Ge tipo p
Influence of doping on the thermal activation energy for the deep defects in GaAs:Ge p-type
D. M. Cortés1, G. Fonthal1, M. de los Ríos1, H. Ariza – Calderón1
1
Universidad del Quindío, Instituto Interdisciplinario de las Ciencias, Armenia (Q).
Recibido XXXX; Aceptado XXXX; Publicado en línea XXXX
Resumen
En este trabajo se presentan los valores obtenidos por fotoluminiscencia (FL) de la energía de activación térmica (EA) de
defectos profundos en muestras de GaAs tipo p con diferentes concentraciones de Ge, crecidos por Epitaxia en Fase Liquida. El estudio realizado por FL se hizo variando potencia de excitación y temperatura. Los espectros fueron analizados
con el modelo de Hopfield, el cual arrojó los valores de intensidad máxima para cada pico de defectos. Con la variación de
la intensidad en función de la temperatura se obtuvieron las EA en cada muestra. Se encontró que estos valores de EA están
muy cercanos a la diferencia entre los estados de carga de la vacancia de Galio. También se encontró que EA disminuye con
la concentración y se propone un modelo que explica este comportamiento.
Palabras claves: GaAs, energía de activación, vacancia de Ga
Abstract
This paper presents the values obtained by photoluminescence (PL) of the deep level thermal activation energy (EA) for
samples of GaAs p type with different concentrations of Ge, grown by liquid phase Epitaxy. The study was done by PL excitation varying power and temperature. The spectra were analyzed with the Hopfield model, which threw the values of
maximum intensity for each peak defects. With varying intensity depending on the temperature were obtained the EA’s in
each sample. It was found that these values of EA are very close to the difference between the charge states of Gallium vacancy. It is also found that EA decreases with concentration and is proposed a model that explains this behavior.
Keywords: GaAs, activation energy, Ga vacancy
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para la fabricación de diodos emisores de luz y láseres de
semiconductores [2], pero el GaAs no dopado posee
defectos nativos que atrapan los electrones que afectan la
calidad de respuesta del dispositivo.
Debido a que un incremento en la impurificación permite
que la conductividad aumente por el aumento de la densidad
electrónica [3], es necesario investigar cual es el papel de la
energía térmica, necesaria para excitar los electrones en el
proceso de conducción. La energía de activación térmica, la
sección eficaz de captura y la concentración de trampas son
los parámetros principales para caracterizar las trampas
profundas en los sólidos. En este trabajo analizaremos sólo
1. Introducción
La impurificación es un proceso básico para cualquier
dispositivo semiconductor, pero este proceso puede acarrear
la formación de defectos que alteran las características
ópticas y eléctricas de un material. Los defectos
electrónicos juegan un papel clave en el comportamiento del
transporte de carga, y en la funcionalidad y fallas de
muchos materiales y dispositivos [1].
El GaAs es uno de los principales materiales en la industria
de los semiconductores, caracterizado por tener una alta
movilidad electrónica y brecha de energía directa. Estas
propiedades hacen del GaAs un material de gran utilidad
1
RevColFis, Vol. , No. de 20
la energía de activación térmica obtenida a través de la
relación entre la intensidad de los picos espectrales en
función de la temperatura. Se propone un modelo que justifica el comportamiento observado de la EA en las muestras
dopadas, el cual se ajusta bien a los datos obtenidos.
Intensidad Fotoluminiscencia (ua)
60
2. Experimento
Las muestras fueron crecidas en el CINVESTAV de México
por Epitaxia en Fase líquida, sobre sustratos de GaAs y
ricas en As, resultando tipo p. Las muestras utilizadas son
GaAs sin dopar y muestras dopadas con Ge en
concentraciones de 1x1016 hasta 1x1019 cm-3. Las muestras
se colocaron en un criostato y empleando un controlador se
varió la temperatura entre 11 y 300 K. Se empleó un láser
de Ar LEXEL 95 con longitud de onda de 488nm. Para el
análisis de la señal luminiscente se empleo un
espectrómetro SPEX 500M con una rejilla de difracción de
600 ranuras/mm y un detector de InGaAs.
I(ω) 

E4
20
E1
10
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
Energia (eV)
Fig. 1. Ajuste con cuatro funciones de Hopfield del espectro de
GaAs sin dopar a 11 K. Ei son los defectos presentes en la
muestra.
Realizando el ajuste a través del modelo de Hopfield, se
encontró la presencia de cuatro defectos (figura 1), la línea
de color negro corresponde al espectro de fotoluminiscencia
del GaAs sin dopar.
El espectro ajusta bien con cuatro transiciones, las cuales
llamaremos E1, E2, E3 y E4, estas trampas tienen asociadas
energiás ópticas en 0.88, 0.95, 1.03 y 1.20 eV
respectivamente. Encontramos que estos defectos se mantienen en aproximadamente las mismas posiciones energéticas para todas las muestras, como se ve en la figura 2, por
tanto, la impurificación no afecta los defectos nativos del
GaAs.
2
(1)
En la ecuación (1), EDD es la energía del estado fundamental
del nivel profundo, S es el factor de Huang-Rhys, ω 0 es
1,0
GaAs sin dopar
Intensidad Fotoluminiscencia (ua)
1*10^16 cm-3
el valor de la energìa vibracional del fonón participante, m
es el número de fonones acoplados a la transiciòn, y σ es el
ancho de la gaussiana que corresponde al ensanchamiento
del pico cero-fonón y de sus replicas fononicas considerándola igual para todos.
El valor del fonón que tomamos para la simulación es de
36.28 meV correspondiente al fonón óptico (LO). El ancho
gaussiano (σ) se incrementa con la temperatura de la red de
la forma:
 ω 
σ 2  σ 02  8ln 2S(ω 0 ) 2 coth  0 
 2kT 
E2
30
0,7
Para determinar con precisión la cantidad de defectos en las
muestras, la posición energética, el ancho y la participación
fonónica promedio o factor de Huang-Rhys, se utilizó el
modelo de Hopfield [1], el cual es utilizado para el ajuste de
los espectros asociados a transiciones que involucran
defectos profundos:
 E DD  ω mω0 

2σ 2

40
0
3. Resultados y análisis
S m e S 
e
m!
E3
50
5*10^16 cm-3
5*10^17 cm-3
0,8
1*10^18 cm-3
5*10^18 cm-3
1*10^19 cm-3
0,6
0,4
0,2
(2)
0,0
0,8
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
Energia (eV)
Fig. 2. Espectros normalizados de FL de las muestras dopadas con
Ge.
El programa empleado para implementar la ecuación (1) y
(2) es Origin 6.0. Los parámetros a ajustar dentro del
progarama son S, m, σ y EDD para cada espectro
correspondiente a cada muestra de GaAs dopado con Ge y a
diferentes temperaturas de crióstato.
2
0,9
D. M. Cortés et al.: Influencia de la impurificación en la energía de activación térmica de defectos profundos para el GaAs:Ge tipo p
Se observa además que el factor de Huang-Rhys y el ancho
del espectro se ven alterados con la concentración de Ge
(figuras 3 y 4), presentando un aumento a medida que se
ingresan impurezas al sistema. Este comportamiento puede
ser entendido como un aumento en la distorsión de la red
con el incremento de la impurificación.
E4
0,164
0,163
0,162
0,161
0,160
E3
0,163
0,162
0,161
0,160
E2
0,155
0,150
0,145
0,140
0
E1
10
16
17
10
10
18
E1
E2
-1
ln(I/Io)
Sigma (eV)
0,215
0,210
0,205
0,200
La ecuación (3) es conocida como la ecuación de despoblamiento térmico y depende de la cantidad de portadores
involucrados en la transición a medida que la temperatura
aumenta [5].
En la figura 4, se presentan las gráficas del logaritmo de la
intensidad FL en función del inverso de la temperatura para
cada defecto. Con la pendiente de la recta en la parte lineal
en la región de mayores temperaturas se obtuvieron los
valores de la energía de activación térmica.
E3
E4
-2
-3
19
10
Concentración de Ge (cm-3)
Fig. 3. Variacion del factor de Huang-Rhys en función de la concentración de Ge para cada defecto.
-4
0,00
0,02
E4
0,55
0,50
0,45
0,04
0,06
-1
1/kT(eV)
0,08
Fig. 4. Logaritmo natural de la intensidad normalizada, en función
del inverso de la temperatura. Muestra de GaAs con concentración
de Ge de 5x1018cm-3.
E3
0,40
0,75
0,70
0,65
0,60
0,55
Los espectros obtenidos para las distintas muestras presentan características iguales en temperatura. En la figura 5 se
hace una comparación de los resultados para todas las
muestras. Observamos que la energía de activación para
cada defecto decrece a medida que la concentración
aumenta.
E2
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
E1
16
17
10
18
10
10
19
10
Energia de Activación (eV)
Factor de Huang-Rhys (S)
0,75
0,70
0,65
0,60
0,55
Concentración de Ge (cm-3)
Fig. 4. Variacion del ancho del espectro en función de la concentración de Ge.
Graficando el logaritmo de la intensidad FL en función del
recíproco de la temperatura (gráfica de Arrhenius), y encontrando la pendiente, obtenemos la energía de activación
necesaria para excitar los portadores fuera de las trampas [4,
5, 6].
I(T ) 
I0
1 a  e
-
EA
kT
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
E4
0,20
0,15
0,10
0,05
E3
0,20
0,15
0,10
0,05
E2
0,20
0,15
0,10
0,05
(3)
E1
16
10
17
10
18
10
19
10
Concentración de Ge (cm-3)
Donde I(T) es la intensidad óptica de las transiciones, T es
la temperatura, EA es la energía de activación térmica, a una
constante y k es la constante de Boltzman.
Fig. 5. Energía de activación térmica en función de la concentración de Ge en GaAs.
3
RevColFis, Vol. , No. de 20
Los valores obtenidos de EA para el GaAs sin dopar son de
0.20eV, 0.14eV, 0.18eV y 0.24eV respectivamente. Estos
valores están dentro del mismo orden que las diferencias
entre los distintos estados energéticos del pozo de potencial
de la vacancia de Galio (VGa), reportados por Pavesi [1].
Según este autor, los valores de los estados para VGa son
0.13eV, 0.25eV, 0.39eV y 0.57eV. En trabajo anterior [7],
se demostró que los picos espectrales E1, E2, E3 y E4 eran
debidos a defectos profundos que involucraban la VGa. Por
lo tanto, se propone que los valores obtenidos de energía de
activación, corresponden a transiciones del electrón entre
los diferentes estados del pozo de potencial energético de la
vacancia producto de la excitación térmica.
La disminución en el valor de la energía de activación esta
relacionada con la perturbación que produce la impureza
sobre estos niveles, causando un ensanchamiento del pozo
de potencial de la VGa. Esta idea es argumentada a partir de
los valores obtenidos con el modelo de Hopfield del factor
de Huang-Rhys (S) y el ancho del espectro (σ), como se ve
en la figura 3 y 4. El ancho del espectro tiende a aumentar
con la concentración, lo que implica un aumento en el desorden estructural producido por la introducción de impurezas.
El factor de Huang-Rhys también aumenta proporcionalmente con la concentración, esto puede deberse a un aumento en la distorsión de la red, lo cual produce un aumento en
la participación fonónica. Por tanto el efecto neto de la
introducción de impurezas es generar un aumento en el
desorden estructural, produciendo un aumento en el ancho
del pozo de potencial, lo que ocasiona una disminución
entre los niveles de energía asociados al defecto. Los valores obtenidos de la energía de activación en este trabajo
concuerdan bastante bien con los valores T1, T2a, T2b yT3
medidos por Pavlovic et. al. [8] con la técnica TSC (Thermally Stimulated Current) pero diferimos con ellos en la
asignación del defecto, pues para ellos T1 es VAs o GaAs, T2a
es Ga As y T3 en VGa.
Nuevos Materiales CENM, con el auspicio de Colciencias,
Contrato No. 043-2005.
Referencias
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
4. Conclusiones
Se propone un modelo que explica el comportamiento de la
energía de activación en función de la concentración,
basado en el pozo de potencial del defecto nativo. La
impurificación debe aumentar el ancho del pozo, por lo
tanto las transiciones entre los estados energéticos se
disminuyen. Los valores de las energías de activación
térmicas encontradas, corresponden con las diferencias en
energía entre los estados para la VGa, reportados por Pavesi
[1].
5. Agradecimientos: Este trabajo ha sido apoyado por la
Universidad del Quindío y por el Centro de Excelencia en
4
Pavesi L. and Guzzi M., J. Appl. Phys. 75 (10), 4779.
(1994).
GaAs Material Properties. http://parts.jpl.nasa.gov/mmic/3I.PDF (2008).
Fonthal Rivera, Gerardo. Bandas de energía en semiconductores. Universidad del Quindío, Pag. 14. (1999).
Gfroerer H, Timothy. Encyclopedia of Analytical Chemistry.
R.A. Meyers Ed. Pag. 9209. (2000).
Fonthal Rivera, Gerardo. Bandas de energía en semiconductores. Universidad del Quindío. Pag. 17. (1999).
J. Siegert., S. Marcinkevicius., L. Fu and C. Jagadish.: Nanotechnology 17, 5373. (2006).
D. M. Cortés, G. Fonthal, M. de los Rios, H. ArizaCalderón.: Sometido a la Revista Colombiana de Física, junio (2010).
Pavlovic M., Desnica U. V. and Gladic J.: J. Appl. Phys. 88,
4563. (2000).