用正电子研究半导体材料GaSb的缺陷

用正电子研究半导体材料GaSb的缺陷
GaSb是一种具有带隙窄,载流子迁移率高和载流子有效质量小等特点的111~V族半导体材料111.它可用于制造高速电子器件,也可用作生长工作在0.8~4.3Mm波长范围的光电材料的基底材料。由于其在低损耗光纤和高效率太阳能电池方面有很好的应用前景,近年来对它的研究得到了加强2'51.本征GaSb总是呈p型导电性,其空穴浓度大约为1016~1017cm-3.有报道称残留受主是双电离的本底缺陷,而且是由Ga原子过量而引起的6~8.这些残留受主被认为是V(;aGaSb(GaSb为Ga的反位缺陷)缺陷复合体19101,然而至今并没有找到证明这个结论的直接证据。

在过去20年正电子湮没技术被广泛应用于研究固体中的中性和带负电荷的空位型缺陷1"13.固体中的中性和带负电荷的空位会成为正电子的捕获陷阱。注入的正电子经热化、扩散后会优先被固体中的中性和带负电荷的空位捕获,然后湮没,释放出两个Y光子,探测Y光子所带出的信息就可分析固体中缺陷的特征。正电子湮没率与湮没处的电子浓度成正比,在不同种类空位处湮没就有不同的正电子寿命。正电子湮没实验数据不仅可以给出寿命与测量温度的关系,还可以鉴别缺陷的电荷态和电离能。

Ling等人114161报道在重掺Zn和未掺杂GaSb中发现有约315ps的寿命成分,通过电子辐照可在GaSb中引入了寿命值约280ps的缺陷。通过退火及温度实验,他们认为与这两种寿命相关的缺陷是两种具有不同微结构的镓空位相关缺陷(VGa)。Dannefaei等人17报道了在惨Te的GaSb样品中有297ps的寿命成分和253ps的体寿命成分。Puska等人118报道了GaSb的体寿命值为260ps,Va寿命值为287ps,锑空位相关缺陷(VSb)寿命值为307ps,锑空位和镓空位复合缺陷(VSbVa)寿命值1017cm-2和1.0X1018cm2)电子辐照GaSb材料,并用正电子寿命谱技术和符合多普勒实验技术研究了辐照后材料中的缺陷,把缺陷处正电子寿命与电子动量分布情况结合起来分析缺陷周围的化学环境。

1实验1.1实验样品实验样品是用液封直拉法提炼单晶而成,由中国科学院半导体研究所提供。大小为10mmX10mmX0.6mm.单面化学抛光。样品的特性参数见表1实验中所用样品的特性参数样品编号掺杂类型载流子浓度辐照剂量未掺杂惨Zn掺Te1.2实验方法电子辐照在四川大学辐射物理及技术教育部重点实验室进行。电子能量为1.5MeV.辐照时样品温度保持低于50C.在不同温度下(26~500对样品进行等时退火,在室温下对这些样品进行正电子寿命谱测量和多普勒展宽谱测量。

正电子寿命谱仪使用传统的快快时间符合系统。每个谱计数2.5X16个。符合多普勒展宽系统中包括两个相对放置的高纯锗探头,每个探头距离样品约20cm.每个多普勒展宽谱计数1.107个。多普勒系统的峰本底比约为6.0X105.2结果与讨论本实验的正电子寿命测量均在室温下进行,数据均由PATFIT程序处理。对原生未掺杂样品用两寿命分量可以解出其缺陷寿命值(T)和平均寿命值(T)分别为283ps和265ps.电子辐照后这些值分别变为284ps和268ps.根据正电子体寿命公式:T=(E/i/T)-1计算出辐照后材料中的t为258ps.T/Th=1.10,说明在电子辐照后的未掺杂GaSb样品中探测到的缺陷为单空位型缺陷。而且这个寿命值跟Puska等人1181的报道结果一致(见表2)。

表2样品A的正电子寿命及其强度结果辐照剂量在GaSb样品中引入寿命值为284ps的空位型缺陷。这个结果跟Ma等人1191报道的结果(电子辐照会在未掺杂GaSb样品中引入V;a,28.ps缺陷)一致。电子辐照在样品C中产生了一个反常现象,就是其平均寿命随电子辐照剂量大而减小,同样的现象也发生在本文的质子辐照实验上,这个现象有待更深入的研究。

表3样品BCD的正电子寿命结果辐照剂量/cm电子辐照后的未掺杂样品正电子平均寿命与退火温度的依赖关系见。在温度低于300C时,寿命谱用两态捕获模型分析得到较好的拟合结果,而温度高于300C后,寿命谱用单寿命分量拟合更好,当退火温度低于300°C时,平均寿命随退火温度的加而下降,300°C以后,正电子平均寿命几乎不再变化。这说明样品中的缺陷可在300C退火。本文工作中电子辐照后样品的退火行为与本研究室以前的工作结果120是一致的。

寿命值(284胞接近。因此笔者认为电子f辐照会从表2中可以看出辐照前后未掺杂样品缺陷寿命并没有明显变化,而引起平均寿命大的原因是缺陷的分量大(从84%变为87%),即缺陷的浓度大,说明电子辐照在样品中引入了和原生样品一样的缺陷,从而使得样品中缺陷浓度大,平均寿命大。表3分别列出了样品B、C、D经不同剂量电子辐照后的平均寿命及缺陷寿命值。从表中可以发现这些样品在电子辐照后所测出的缺陷寿命值分别为多普勒展宽谱2°~221可以用来鉴别不同材料中缺陷点的化学环境和缺陷的亚晶格。多普勒展宽谱中高动量区域反映的是核心电子的湮没,不同原子周围的电子壳层分布不同,正电子在不同原子周围淹没的特点也不一样,为了更清楚的分辨出这一信息,在数据处理时,常选择一个标准样品的多普勒展宽谱作谱,用其他多普勒展宽谱除以该谱得到商谱(标准化谱),公式表示为R(E)/N0(E)。通过分析商谱数据可以得到缺陷周围的元X分别代表原生样品A.电子辐照过(10l7cm-2)的样品A和低f温下退火后的电子辐照过的样品tlecfronicPublishiSg元素与钟元素;相邻1有可能在v中墨1示。

Ma等人119报道,电子辐照GaSb,会引入缺陷Vr;a,28ps,这个寿命值跟Puska等人1181报道的287ps的寿命值很接近,而在本工作中发现的原生及辐照过的GaSb样品中的缺陷寿命值分别为283ps和284ps,这两个寿命值非常接近上述报道,这种缺陷在300C就会退掉。同时,在电子辐照过的样品B、C、D中,缺陷的标准化多普勒谱在动量范围1.10-2m0c内均显示出负斜率特征,这说明这些样品经过电子辐照后均引入了大量的相关缺陷VGa,结果见。

从中可以看到样品B在辐照前显示出的是Ga元素的特征(正斜率),但是电子辐照后却又显示出了Sb元素的特征(负斜率)。C和D两种样品辐照后的多普勒展宽谱都几乎与辐照后的样品A的谱线重合,电子辐照后的样品C也显示出负斜率,这说明电子辐照后这几种样品中的缺陷与辐照后未掺杂样品中的缺陷一致。虽然在元素周期表中3结论斜率特征是Te元素的特征,但是在元素周期表中Zn元素是与Ga元素相邻的,显示的负斜率说明电子辐照后的掺Zn样品中的缺陷周围一定是Sb原子,这也说明缺陷一定是相关缺陷Va.而在辐照前,样品B则存在杂质ZnVa复合体。因为稳定的Vsb缺陷呈正电性质,它不能捕获正电子。

样品B、C、D均为掺杂材料,在这些样品中均存在着缺胳空位复合体类型的缺陷。由表3可以看出,高剂量(10X18cm-2)电子辐照后这些样品中的正电子寿命均趋于一致(285±5,284±4,284±6ps),因此笔者认为电子辐照对这些材料中的缺胳空位复合体类型的缺陷有非常大的影响。Ling等人1141报道在掺Zn的GaSb样品中存在缺陷,而Puska等人118计算的这个寿命值为287ps.Ling等人解释为在理论计算上可能未考虑缺陷周围的原子向四周松驰的因素。笔者认为Ling很可能没有考虑在掺Zn样品中会存在ZnVa类型的缺陷,而他们报道的这个值很可能就是这种类型缺陷的寿命值。在本文的表3中样品B未辐照时的缺陷寿命值是295ps,辐照后寿命值变成了从另一个方面为笔者的结论提供了依据。因此笔者认为电子辐照对ZnVa类型的缺陷产生影响,使得这种缺陷处的Zn原子要么进入空位处使这一缺陷消失,要么从缺陷处向材料内部扩散,使这种缺陷变为单纯的Voa空位型缺陷。而在样品C中电子辐照后的多普勒曲线显示出明显的负斜率,而辐照前的多普勒曲线斜率则几乎为零。结合寿命谱实验(辐照前后均只有用单缺陷模型拟合),说明电子辐照对掺Te样品中的缺陷也产生了影响。使得原先样品中的缺陷变为Voa相关缺陷(多普勒曲线的斜率为负是Sb原子的特征)或消失。

综上所述,电子辐照在样品A中引入缺陷VGa284ps,这种寿命值的缺陷与辐照前样品中所具有的缺陷Va283ps具有几乎相同的寿命值,因此笔者认为这是同一种缺陷,电子辐照只是使样品中这种缺陷的浓度大。电子辐照对缺陷GaSb没有影响。在掺Zn样品中,电子辐照则会对ZnVGa类型的缺陷产生影响,要么使得这一类型的缺陷消失,要么使得这种缺陷变为单纯的VGa空位型缺陷。在掺Te样品中也存在同样的现象(在重掺Te样品中现象更为掺杂GaSb样品。用两个寿命分量均可很好的拟合辐照前后的寿命谱,且寿命值一致。电子辐照会在原生GaSb中引入寿命值为284ps的Va相关缺陷,这种缺陷和原生未辐照样品中的缺陷(VGa283ps)具有一致的寿命值,但是这种缺陷的浓度在电子辐照后有显著的大。说明电子辐照引入的缺陷和原生未辐照样品的微结构一致,缺陷被电子辐照引入。这种VGa相关缺陷会在300C的温度下退掉。

退火后的低温多普勒展宽谱显示GaSb样品中仍然存在Hu等人120提到的反位缺陷GaSb.掺Te、掺Zn样品的符合多普勒实验也证实电子辐照后在这些样品中会引入Voa相关缺陷。且电子辐照对这些样品中的原生缺陷产生影响,使得这些缺陷消失或变为单纯的VGa空位型缺陷。

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