作为半导体中自由载流子扩散传感器的广延缺陷外文翻译资料

 2021-12-27 10:12

英语原文共 6 页

作为半导体中自由载流子扩散传感器的广延缺陷

T.H.Gfreer，1,2 Yong Zhang，2和M.W.Wallass3

1美国北卡罗来纳州戴维森学院，邮编28035

2美国北卡罗来纳州夏洛特市北卡罗来纳大学

3美国科罗拉多州金国家可再生能源实验室，邮编80401

（2012年9月14日收到；2012年12月20日接受；2013年1月11日在线发布）

我们使用共焦光致发光显微技术来研究GaAs中孤立的广延缺陷（ED）附近的载流子扩散。我们观察到载流子扩散长度随载流子密度的非单调变化，这归因于点缺陷和广延缺陷之间的竞争。高密度的激光照射会引起广延缺陷结构的永久性变化，更显着的是缺陷有效极性的变化，进而导致其影响范围发生剧烈变化。 推导得出的主要扩散物质的变化给高注入光电器件的设计提出了潜在的考虑因素。@2013美国物理研究所。[http://dx.doi.org/10.1063/1.4775369]

当半导体中由于光激发产生自由电子和空穴时，它们自然地扩散到较低密度区域。如果广延缺陷（ED）在价带和导带之间产生高密度的缺陷水平，则可以将载流子捕获到这些局部状态中并随后重新复合。与缺陷相关的捕获和复合消耗了位错附近的条带，引发扩散到这些缺陷点。但真正的半导体总是存在一系列原生和杂质相关的点缺陷（PD），这些缺陷往往在整个体积内均匀分布。这些缺陷可以充当局部陷阱，因此只有在高注入条件下点缺陷达到饱和后，向广延缺陷的远距离传输才变得重要。对这些效应的基本了解对于优化光电器件设计至关重要。

光致发光（PL），阴极发光（CL）和电子束感应电流（EBIC）显微镜是用于研究诸如位错类广延缺陷和在这些晶体缺陷附近的载流子运动的有力技术。阴极发光和电子束感应电流产生高度局部化的载流子群，其可自由扩散，漂移和/或重新复合，产生光强或电流。但这些实验的收集模式通常是全局的——信号是整个设备的贡献的组合。如果载流子产生发生在位错附近，则净信号减小，因为通常有助于电流或发光的载流子被捕获并在位错处重新组合。距离r处的损失由对比度c(r) =(I0-I(r)) / I0描述,其中I0和I(r)分别是没有缺陷和存在缺陷的电流或发光强度。该参数在理论上已经分析了各种几何生成和位错场景。在所有情况下，位错被视为增强复合速率（即，减小的自由载流子寿命）的有界区域以及整个相邻体积中的普通拉普拉斯扩散。

共焦实验的物理特性是独特的，因为信号仅从明确定义的体积获得。例如，收集孔的平移可用于监视远离激发位置的载流子传输。在我们的几何结构中，激发和收集孔径是对齐的，因此光致发光信号仅在照明体积内产生。如果附近的位错超出此体积，则信号只能通过缺陷相关的向外通量和体积内载流子的损失来减少。该领域的先前工作表明，通过位错附近的杂质浓度升高也可以减少信号。但是，当光致发光光谱在整个映射区域内均匀并且对比度分布随激发系统地变化时，可以排除这种情况。如果杂质是降低光致发光信号的原因，那么它们可能会改变光致发光光谱（如参考文献6），并产生对光激发不太敏感的对比度曲线。因此，激发依赖性共聚焦光致发光是一种更好的技术，专门用于聚焦载体浓度的运输相关变化。该调查中使用的原型结构和仪器的优质质量补充了这一优势。位错间隔足够宽，并且测量的空间分辨率和动态范围足够高，以允许在距离单个广延缺陷的前所未有的距离处对缺陷驱动的迁移进行定量分析。我们使用广延缺陷来探测传输动力学，并显示通过简单的指数函数很好地描述了远程光致发光对比度分布。

该研究的测试结构是在半绝缘GaAs衬底上通过金属-有机气相外延（MOVPE）生长的名义上晶格匹配的GaAs / GaInP双异质结构。该样品具有非常低的生长的穿透位错密度，约为103cm-2。使用Horiba LabRAM HR共聚焦拉曼显微镜在室温下进行实验。在该系统中，k = 633nm的HeNe激光器通过100times;0.9NA物镜聚焦到近似衍射极限的光斑尺寸，直径约为1.22lambda;/NA = 860nm。激光路径中的中性密度滤光片用于控制入射光功率（6.5 mW未过滤）。如上所述，仪器的共焦几何形状确保光致发光样品体积与光激发体积一致。通过CCD检测器在以865nm为中心的20nm窗口中获得光致发光光谱。高能量和低能量光致发光尾部延伸超出该光谱窗口，特别是在高激发时，费米填充变得重要，但是该窗口中的光谱积分提供了样品体积内发生的带间重组的良好相对测量。通过用精确的电动载物台在物镜下横向平移样品来获得光致发光图。

孤立生长位错的共聚焦光致发光图如图1所示。辐射效率定义为辐射复合速率与总复合速率之比。当光致发光信号除以激光功率达到最大值时，即激发强度接近42 kw/cm2时，辐射效率接近一个统一值，这一假设为估算值的基础。在较低激励下，非辐射缺陷相关复合显著，而较高激励下的效率可能受到局部加热和/或非辐射螺旋过程的影响。

图1中的图显示了有效扩散长度随着激发的减少而稳定增加，随后在最低激发下扩散急剧减少。随着载流子密度降低，扩散的增加​​可归因于载流子寿命的增加。在低密度下，电子和空穴必须进一步行进以找到合适的重组伴侣。在这张图中，在最低载流子密度下扩散的突然下降是令人惊讶的。在使用空间均匀激发和光致发光成像的先前测量中未观察到这种现象。我们注意到偏离伴随着辐射效率的急剧下降（在激发信号强度仅减少了7倍的情况下，光致发光信号下降了400倍，），表明扩散过程受到非辐射复合相关缺陷的阻碍。在这种情况下，载流子不能扩散，因为它们被困在均匀分布的点缺陷所形成的局部陷阱内，并且刚好在激发体积之外。只有当光激发达到一定水平以使点缺陷态达到饱和时，载流子的远距离扩散才变得可行。

图1。平面图共焦光致发光图孤立的位错在砷化镓在广泛的光激发强度IEX。（IEX值不包括反射损失。）灰度值是辐射效率的估计值，即发射光子与吸收光子的比率。

长时间的高激发曝光（1100 kw/cm2持续2 s）导致图1所示位错的物理性质永久性改变，可能是通过局部加热。我们注意到在MOVPE GaAs中位错的EBIC研究中也有类似的现象。另一份报告中给出了与图1所示条件相当的改变位置的共聚焦光致发光图。为了证明再现性和显示扩大的作用范围，在更有限的光激发条件下，我们给出了较低放大率的共焦图（见图2）。平面图显示缺陷位置的整体变暗，两个10mu;m长的线性延伸相对于{1,1,0}解理平面倾斜45（即沿lt;100gt;方向对齐）。这些变化表明已形成错位网络。特征的原点，方向和尺寸与Petroff，Johnston和Hartman在GaAs / AlGaAs双异质结构中观察到的光学诱导暗线缺陷相同。透射电子显微镜已经表明，这些网络起源于孤立生长的位错缺陷，其穿过基板和外延层，并通过爬升机制传播，形成互连的巨偶极子和位错环。当在电流注入期间产生这种暗线缺陷时，已知它们会引起基于GaAs的激光器的快速退化，尽管尚未解释基础物理学。下面的讨论提供了对退化机制的见解。我们注意到这里使用的照明低于沿着lt;110gt;方向的位错滑移的阈值。

向改变的缺陷扩散的异常增加是显著的。缺陷的这种光学修饰如何影响扩散到该位点？理论一维扩散长度由L=sqrt(Dtau;)给出，其中D为扩散系数，tau;为体积寿命。结构偏差只能增加与缺陷相关的复合，因此光照后的自由载流子寿命不能长于原始寿命。因此，只有D的增加（或下文讨论的电漂移的变化）才能解释随后观察到的较长的有效扩散长度。扩散系数与迁移率mu;=et/m*成正比，其中e是电荷，t是平均散射时间，m*是扩散物质的有效质量。据推测，随着材料不均匀性的增加，散射事件之间的平均时间不会变长。这种分析只留下有效质量，这是主要扩散载流子的一个特性，作为解释我们结果的可行参数。由于在未掺杂的砷化镓中，电子和空穴的迁移率相差20倍，因此我们推断扩散的差异是由于初始载流子被捕获的变化引起的。

图2 在光照后，图1中检查的同一位置的平面图共聚焦光致发光图改变了扩展缺陷的物理特征。请注意光激发范围和放大率相对于图1中所用的变化。

自由载流子向现场运动变化的另一种解释是电漂移。如果曝光事件改变了缺陷附近的电位，则可以通过周围的电场更有效地吸引载流子。已经使用扫描隧道显微镜研究了在砷化镓中位错处存在电荷的可能性。Cox等人观察到核心周围没有能带弯曲，表明它们是电中性的，而Ebert，Domke和Urban报告称部分位错核心和它们之间的堆垛层错带负电荷。然而，即使在存在观察到的电荷的情况下，围绕核心的带弯曲也仅达到了几纳米的体积。我们可以通过考虑位错网络附近的背景载流子（Nasymp;5times;1014cm-3 n型）的耗尽来估计我们系统中过渡区域的范围。我们发现，即使费米能被固定到需要带弯曲多达带隙的一半的电位eth;V= 1/2Eg，耗尽范围W = (2eDV = eN)1/2仅约为1 mu;m。同时，我们观察到数十微米的传输距离。因此，虽然我们不愿排除漂移有助于运输的可能性，特别是在短距离范围内，但我们认为扩散是在本调查制度中运作的主要运输机制。

使用IMAGEJ上的径向轮廓插件分析图1和图2中的光致发光图，以获得作为距广延缺陷距离的函数的平均光致发光信号的图。从这些结果得出的对比度曲线如图3所示。在大多数情况下，对比度通过单个指数衰减很好地描述。一个值得注意的例外是图3（b）中的最低激发结果。与下一个更高的光激发曲线不同，在这种情况下显然需要双指数，如图4（a）所示。指数分析已被用于模拟InGaN / GaN量子阱和GaN外延层中穿透位错附近的阴极发光对比度，但Yakimov对这些实验中指数描述的有效性提出了挑战。特别是，Yakimov认为对比度是非指数的，这些研究在有限范围内的有效扩散长度短于体积，并且当距离rgt;gt;L时仅接近体积值。我们的结果的明确指数特征，在距离达到和超过5L的情况下展示，证实了我们的实验配置中的行为确实是指数的。

图3 图1和图2所示的光致发光对比图的径向剖面。

从图3和图4（a）推导出的有效扩散长度如图4（b）所示。虽然测量的长度可能与一维值L的差异很小（我们目前正在模拟这种现象以促进更精确的分析），但我们的测量结果与文献中的其他报告一致。例如，Casey，Miller和Pinkas在掺杂浓度低于1018 cm-3的液相外延GaAs中获得了2-4 mu;m的20个空穴扩散长度和7-8mu;m的电子扩散长度。最低的激发强度条件下，由于点缺陷态没有达到饱和，因此，此时的主要影响激发结果信号强度的是点缺陷，排除这种情况，我们发现激光修改后有效扩散长度约为3倍。如果我们假设散射载体的寿命由于缺陷部位的局部变形而没有改变，则扩散的这种增强意味着系数D增加了3倍。我们建议扩散增强是由于场地捕获的变化。在修改之前，状态的分布和捕获在该位置的横截面会优先捕获空穴，而在修改之后，电子变得更容易被捕获。

图4（a）激光修正后最低激发图的详细光致发光对比图。注意，随着激励强度的降低，从单指数行为到双指数行为的明显变化。（b）根据图3和（a）所示的指数拟合，修正前后的有效扩散长度。注意，（a）中的双指数拟合产生2个有效长度，用于最低激励后修正结果。

例如，缺陷之前可能具有低于中间隙的高浓度水平（以便有利于空穴），并且之后具有高于中间隙的高水平浓度（以便有利于电子）。如果电子（而不是空穴）成为主要的扩散物质，我们可以预期L会增加一个因子，该因子等于迁移率的平方根：(20)1/2asymp;4:5。观察到的和预测的增强之间的差异可能归因于双极效应。在修改之前，空穴引导扩散到缺陷，较高迁移率的电子不会明显地抑制空穴运动。但是在高曝光事件之后，当缺陷部位主要吸引电子时，必须遵循较低的迁移率。在这种情况下，空穴通过库仑相互作用对电子运动造成阻力。

在最低激发下的发散行为需要特殊的解释。这里，在修改之前和之后，我们观察到广延缺陷附近的有效扩散长度急剧减少。之后，长距离扩散的涓涓细流仍然存在，需要进行图4（a）中的双指数分析。长距离分量在激发减少的情况下保持扩散增加的趋势，并且在轻掺杂的n型GaAs中接近其他扩散长度接近100mu;m（见图4（b））。然而，一个非常短程的组件的出现是明确无误的。由于在高曝光事件之后的体内行为应该在事件之前模拟体积行为，因此在最低激发下的阻碍扩散是更普遍的体现象。即使是最原始的半导体也含有少量的原生点缺陷和元素杂质均匀分布在整个晶体中。当光生载流子密度足够低时，与这些不规则性相关的局部状态可用于捕获电子和/或空穴，限制它们移动的自由度。这些陷阱也可以作为重组中心运行，从而破坏辐射效率。据推测，较高的电子迁移率允许高能电子（而非空穴）绕过这些陷阱并扩散开，产生上述双指数行为。

由于这些陷阱的均匀分布（而不是载流子的扩散性）限制了扩散，我们无法确定这些大块缺陷是否主要捕获电子或空穴。然而，先前的工作表明，在该材料的大部分中存在中等浓度的浅（~40meV深）电子陷阱和较低浓度（~5times;1014cm-3）的较深空穴陷阱。在室温下，大多数电子陷阱都是热耗尽的，但是空穴陷阱足够深，可以保持被占用。因此，点缺陷相关的空穴状态限制了低激发下的扩散和辐射效率。当这些陷阱被填满时，该模型预测价带数量的激增，这与激光功率增加时辐射率的急剧上升相吻合。

总之，在广泛的光激发条件下，我们使用共聚焦光致发光显微镜来研究砷化镓中存在缺陷相关陷阱时电子和空穴的扩散。单个扩展缺陷用作探测操作细节的传感器。在非常低的激发下，扩散和辐射效率受到遍布整个体积的点缺陷处的捕获和非辐射复合的限制。当光激发增加时，这些状态饱和，允许远程，终生控制扩散到广延缺陷。在该性质中，有效扩散长度取决于被捕获的主要载流子的迁移率。光致发光对比度分布的指数性质有助于直接比较这些长度。我

资料编号：[3372]

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